Control uniforme de la capa de pulverización catódica de magnetrón en la superficie de la pieza de trabajo compleja

- Mar 28, 2019-

Control uniforme del recubrimiento de pulverización magnetrón en la superficie compleja de la pieza de trabajo

 

Este documento presenta el mecanismo de recubrimiento de la película y las características técnicas de la superficie de la pieza con cavidad compleja. Con el objetivo de solucionar problemas tales como el consumo desigual del material objetivo, el anillo de erosión cóncavo y el grosor de la película desigual y denso en el proceso de recubrimiento de la pieza de trabajo compleja, en el experimento se usó un objetivo de salpicado de magnetrón columnar giratorio . Se instalaron múltiples objetivos y materiales en diferentes posiciones de la máquina de recubrimiento. El objetivo puede girar libremente para darse cuenta de la necesidad de un revestimiento direccional; Usar el objetivo de sputtering de magnetrón múltiple y establecer el campo magnético auxiliar de la mejora de la estructura del target del cátodo de sputtering de magnetron no balanceado, para mejorar la densidad del plasma de la cámara de recubrimiento al vacío, así mejorar los artefactos de sputtering predisponer el recubrimiento de deposición de la corriente, etc. en el mismo plano, con una forma compleja y la estructura de la cavidad interna en la superficie de la pieza. película de material compuesto de espesor uniforme, densa y continua funcional.

 

En los bordes y mucho más complejo que el revestimiento de la superficie de la cavidad, la tecnología de recubrimiento químico en la actualidad en el país y en el extranjero es mayor, como también se llevó a cabo en el tratamiento de revestimiento de la superficie de la pieza de trabajo de la tecnología de película de pulverización de magnetrón al vacío, actualmente en la mayoría de los casos. La regla y la superficie plana de la preparación para una membrana simple o compuesta, y es ampliamente utilizada en maquinaria, electrónica, energía, materiales, información , aeroespacial y otros campos, el concreto como herramientas de corte, herramientas de hardware, teléfonos móviles, computadoras portátiles. , diversos tipos de sensores y piezas tienen requisitos especiales, etc. Debido a las características de la tecnología de formación de película de vacío, es difícil y complicado controlar el espesor de la película, la uniformidad y la fuerza de unión del proceso de formación de película de pulverización en la superficie de la pieza de trabajo compleja. Con el rápido desarrollo de la industria de fabricación de maquinaria, la gama de aplicaciones de la tecnología de revestimiento de superficie de la pieza se amplía desde herramientas de corte hasta troqueles de estampado de precisión, piezas aeroespaciales y accesorios electrónicos. Las nuevas capas de película de alto rendimiento siguen emergiendo, como TiAlCN, AlCrN, TiSiN, capas similares a diamantes, etc., que mejoran la vida útil y la eficiencia de mecanizado de la matriz. Es muy importante estudiar el control uniforme de la tecnología de recubrimiento por pulverización magnetrón en la superficie de la pieza de trabajo compleja.

 

1. Mecanismo y características técnicas del recubrimiento por pulverización magnetrón.

 

1.1 Mecanismo de recubrimiento por pulverización magnetrón

 

El mecanismo de trabajo de la pulverización magnetrónica es que, bajo la acción del campo eléctrico E, los electrones colisionan con los átomos de argón en el proceso de volar al sustrato e ionizar el ion positivo Ar y los nuevos electrones. Los nuevos electrones vuelan hacia el sustrato, los iones Ar aceleran hacia el objetivo del cátodo bajo la acción del campo eléctrico y bombardean la superficie del objetivo con alta energía, de modo que el objetivo se dispara. En las partículas pulverizadoras, los átomos o moléculas objetivo neutros se depositan sobre el sustrato para formar una película delgada, y los electrones secundarios generados se verán afectados por el campo eléctrico y el campo magnético para producir la deriva EB, cuya trayectoria de movimiento es similar a la del cicloide. Los electrones se mueven en un movimiento circular en la superficie del objetivo y están unidos a la región del plasma en la superficie del objetivo. En esta región, una gran cantidad de iones Ar se ionizan para bombardear el objetivo, logrando así una alta tasa de deposición. Con el aumento del número de colisiones, la energía de los electrones secundarios se agota, y se alejan gradualmente de la superficie objetivo, y finalmente se depositan en el sustrato bajo la acción del campo eléctrico E. La salpicadura de magnetrón es el proceso de colisión entre Las partículas incidentes y el objetivo. Pasa cierto impulso al átomo objetivo a través del complejo proceso de dispersión y la colisión del átomo objetivo. El átomo objetivo choca con otros átomos para formar un proceso en cascada.

 

1.2 características de la aplicación técnica

 

El sputtering de magnetrón es un proceso de sputtering de alta velocidad a baja presión. La tasa de ionización del gas debe incrementarse efectivamente. La densidad del plasma se puede aumentar introduciendo un campo magnético en la superficie del cátodo objetivo y utilizando la restricción del campo magnético en las partículas cargadas para aumentar la velocidad de pulverización.

 

En la pulverización con magnetrón, el movimiento de los electrones en el campo magnético por la fuerza de lorentz, su trayectoria se dobla e incluso produce un movimiento en espiral, la trayectoria del movimiento, incrementando así el número de colisiones con el gas de trabajo, aumenta la densidad del plasma, por lo tanto, la tasa de pulverización del magnetrón es mucho mayor. mejorado, y puede trabajar bajo bajo voltaje de pulverización y presión de aire, reduce la tendencia de la contaminación de la membrana; Al mismo tiempo, la energía atómica que incide sobre la superficie del sustrato aumenta, por lo que la calidad de la película se puede mejorar en gran medida. Los electrones que han perdido energía debido a colisiones repetidas alcanzan el ánodo y se convierten en electrones de baja energía para que el sustrato no se sobrecaliente. Por lo tanto, la pulverización magnetrónica tiene las ventajas de "alta velocidad" y "baja temperatura". La desventaja de la capa de pulverización magnetrónica es que no puede preparar una película aislante, y el campo magnético desigual utilizado en el electrodo de magnetrón causará un grabado irregular importante del objetivo material, lo que da como resultado un bajo índice de utilización del material objetivo, que generalmente es de solo 20% ~ 30%. El índice de utilización del objetivo de pulverización magnetrónica es un parámetro importante para el diseño de ingeniería y la contabilidad de costos del proceso de producción de la fuente de pulverización catódica. para mejorar la tasa de utilización de los materiales objetivo, se estudiaron diferentes formas de objetivos dinámicos, entre los cuales el objetivo cilíndrico del campo magnético giratorio fue el objetivo principal y se usó ampliamente en la industria, y el índice de utilización de dichos materiales objetivo fue tan alto como el 70% .Los objetivos comunes de pulverización magnetrónica se pueden dividir en tres tipos desde la forma geométrica: objetivo plano rectangular, plano circular ta Objetivo rget y cilíndrico.

 

2. Control uniforme del recubrimiento por pulverización catódica en la superficie de las piezas con cavidades complejas

 

2.1 problemas técnicos existentes

(1) el objetivo del cátodo es la pulverización catódica plana, que es causada por la pulverización local fuerte causada por componentes de campo magnético desiguales, lo que resulta en un consumo desigual del objetivo y un anillo de erosión cóncavo. (2) la superficie de la pieza de trabajo se deposita y se reviste con múltiples capas de película, y la resistencia de la unión entre la capa inferior y la capa de película no es uniforme y firme. Al mismo tiempo, hay fenómenos de pulverización de diferentes componentes y el efecto anti-pulverización de la capa de película, lo que resulta en grandes diferencias en la composición de la capa de película y el objetivo.

 

2.2 Análisis técnico y concepción científica.

(1) la superficie de la pieza con múltiples bordes y ángulos y múltiples cavidades se deposita y se recubre con múltiples capas de película. Se planea adoptar un objetivo de pulverización magnetrónica de columna giratoria, y se instalan múltiples objetivos y materiales en diferentes posiciones de la máquina de recubrimiento. El objetivo puede girar libremente para lograr la necesidad de un revestimiento direccional. (2) se establecieron múltiples objetivos de pulverización magnetrónica y campos magnéticos auxiliares para mejorar la estructura de los objetivos de cátodo de pulverización magnetrónica no equilibrados, mejorar la densidad del plasma en la cámara de recubrimiento al vacío y mejorar aún más el flujo de polarización de la pieza de pulverización catódica para lograr la deposición y el revestimiento. (3) el componente de campo magnético desigual del objetivo del cátodo de pulverización catódica produce un anillo de erosión cóncavo en el objetivo. Está destinado a cambiar la distribución del campo magnético para lograr la tensión interna isotrópica de la pieza de trabajo compleja al pulverizar sobre el sustrato, y para combinar la película densa, continua y uniforme.

 

2.3 Métodos experimentales y vía técnica.

2.3.1 materiales experimentales

 

El equipo de pulverización de magnetrón de seis estaciones se utilizó en el experimento, que estaba compuesto principalmente por un sistema de adquisición de vacío, detección de vacío, horno de vacío, magnetrón de cátodo, sistema de entrada de gas y fuente de alimentación. Depósito de vapor físico Se utilizó el proceso de pulverización catódica con magnetrón PVD. Materiales de cátodo: Ti, TiN, TiAlN, película multicapa multicapa de Ti, TiN, TiN, TiAlN.

 

2.3.2 Detección de calidad de capa de película (tabla 1)

2.3.3 métodos experimentales

 

La compleja película de pulverización de la superficie de la pieza se preparó mediante pulverización iónica por pulverización catódica. Para resolver los problemas técnicos del revestimiento complejo de piezas, se llevaron a cabo las siguientes investigaciones experimentales.

 

(1) el objetivo del cátodo es la pulverización catódica planar, y la pulverización local fuerte provocada por componentes de campo magnético desiguales conduce a un consumo de material objetivo desigual. Al mejorar la forma y la distribución del campo magnético, haciendo que el imán se mueva dentro del cátodo, colocando el escudo y otras medidas, se da cuenta de que el recubrimiento de la película de la pieza con múltiples bordes y ángulos y múltiples cavidades que salpican en el sustrato pueden generar Tensión interna isotrópica, y la película es compacta, continua y uniforme. La estructura del objetivo de sputtering equilibrado se compone principalmente de acero exterior magnético, acero magnético central y botas de polo magnético.

 

(2) de acuerdo con el requisito de pulverización catódica en el revestimiento de la superficie de la pieza de trabajo compleja con múltiples aristas y ángulos y múltiples cavidades para lograr los requisitos estructurales del objetivo y el objetivo, se adoptó la diana de pulverización magnetrónica rotatoria columnar. Según las diferentes condiciones de la pieza de trabajo, se utilizaron blancos pulverizados con estructura magnética o estructura de pulverización catódica. El objetivo del magnetrón cilíndrico giromagnético es el uso del campo magnético alrededor del componente del campo eléctrico objetivo paralelo y vertical del tubo objetivo, en la superficie del tubo en el campo electromagnético ortogonal de la superficie del tubo objetivo, la instalación del objetivo en el centro de la cámara de deposición. a alrededor de 360 ° dirección giro recubrimiento; El objetivo de pulverización magnetrón cilíndrico se monta en el lado de la cámara de recubrimiento. El tubo objetivo gira continuamente durante el proceso de recubrimiento para satisfacer la necesidad del recubrimiento direccional.

 

(3) el fenómeno de pulverización selectiva de diferentes componentes, la velocidad de anti-pulverización y la adhesión de la película son diferentes, lo que dará lugar a una gran diferencia entre la película y los componentes objetivo. La selección de las condiciones apropiadas del proceso minimizará el efecto anti-sputtering en la película.

(4) el uso de múltiples objetivos de pulverización magnetrónica, y el establecimiento de un campo magnético auxiliar en la sala de revestimiento constituyen un campo magnético cerrado, a menos que haya una distribución de campo magnético frente al objetivo, el objetivo entre el objetivo y al establecer el efecto del campo magnético auxiliar, formarse mutuamente el efecto de reticulación, hacer que la densidad del plasma aumente, los artefactos se desvíen, de modo que más bordes y cavidades de la pieza de trabajo alcancen el objetivo del recubrimiento depositado. HIGO. 1 muestra un diagrama esquemático del campo magnético cerrado formado por cuatro objetivos de pulverización magnetrónica de no equilibrio y un campo magnético auxiliar.

 

2.4 Resultados experimentales y discusión.

Desde diciembre de 2012 hasta febrero de 2013, se llevaron a cabo pruebas de recubrimiento por pulverización catódica en la superficie de la pieza de troquelado pequeño y el dispositivo de comunicación respectivamente. Muestras de Ti de resultados de la prueba de la pieza troqueladora pequeña: el aspecto de la película es bueno, no se agrieta; ~ 5 m; La uniformidad de la película fue inferior al 5%; Tasa de orificios pequeños; Dureza de la película hasta 2000 HV; Alta fuerza de unión; Fuerte adherencia, no desprendimiento de la capa de inyección; Excelente resistencia a la corrosión, resistencia al calor y resistencia a la abrasión; Bien isotrópico; la tasa de ionización de partículas del material es de 75% ~ 95%. La tasa de deposición de la película es controlable (2.0 ~ 2000) nm / s; Velocidad de formación de la película (2 ~ 13) m / h. Todos los índices en el ensayo alcanzaron los requisitos de diseño, y los resultados de la película compuesta en la superficie de los dispositivos de comunicación también alcanzaron el efecto esperado. Es factible estudiar las medidas de control uniformes del recubrimiento de pulverización magnetrón sobre la superficie de la pieza con múltiples bordes y ángulos y múltiples cavidades.

 

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