ИСПАРИТЕЛЬНАЯ ЛОДОЧКА УСТАНОВКИ ВЗРЫВНОГО ИСПАРЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК C23C14/24 

Область техники
Изобретение относится к устройствам взрывного испарения с резистивным нагревом для испарения металлов, и более конкретно к испарительным лодочкам таких устройств, состоящим из графитового корпуса и покрытия из пиролитического нитрида бора.

Уровень техники
Вакуумное осаждение является обычным способом нанесения тонких металлических пленок из алюминия, меди, цинка или олова на различные материалы: металлы, стекло и пластмассы. Металл испаряется в устройстве, обычно называемом "испарительной лодочкой" при пропускании электрического тока. Лодочка подсоединяется к источнику электропитания для нагрева устройства до температуры, при которой испаряется металл, находящийся в контакте с лодочкой. Обычно изделие помещается внутри камеры, из которой откачан воздух и в которой испаряется металл. Изделия могут подаваться в камеру по одному или непрерывно, или они могут составлять часть самой камеры. Осаждение паров используется для нанесения покрытий на различные изделия такие, как элекронно-лучевые трубки для телевизоров, рефлекторы автомобильных фар, игрушки и др.

Металл помещается в углубление, сделанное в верхней поверхности лодочки. При достижении температурой точки испарения металл плавится и быстро испаряется. Испарение носит взрывной характер, и этот процесс повторяется с новой закладкой металла. Число взрывных испарений, которые могут быть выполнены за единицу времени, определяет производительность установки. Соответственно, число взрывных испарений, которые может выдержать лодочка без потери работоспособности, является критической характеристикой процесса. Если же происходит отказ, изделия, на которые наносилось покрытие, или выбрасываются, или процесс должен быть повторен, что приводит к потерям времени и к дополнительным расходам. Для того чтобы избежать этих потерь, испарительное устройство должно быть заменено до его выхода из строя. Испарительная лодочка, имеющая малый срок службы, увеличивает расходы на единицу продукции и уменьшает общую производительность.

Сущность изобретения
Способ резистивного нагрева металла, в котором используется устройство взрывного испарения, состоящее из графитового корпуса, покрытого пиролитическим нитридом бора, описан в патенте США N5239612, который вводится в описание ссылкой. Как указывается в данном патенте, покрытие из пиролитического нитрида бора (далее ПНБ) может быть получено реакцией в парообразной фазе аммиака и галогенида бора такого, например, как трихлорид бора. Было найдено, в соответствии с данным изобретением, что срок службы лодочки может быть увеличен за счет увеличения плотности ПНБ-покрытия, соприкасающегося с металлом, который должен быть испарен, до по крайней мере 2,19 г/см³ и предпочтительно плотность покрытия должна быть в диапазоне 2,19 - 2,2 г/см³.

Испарительная лодочка испарительного устройства состоит из: графитового корпуса, имеющего углубление, и внешнего покрытия из пиролитического нитрида бора, имеющего повышенную плотность не менее 2,19 г/см³.

Перечень фигур чертежей
Другие преимущества изобретения станут очевидными из нижеследующего подробного описания в сочетании с прилагаемыми чертежами.

Фиг.1 - общий вид испарительной лодочки в соответствии с изобретением.

Фиг. 2 - поперечное сечение по линиям АА фиг. 1, демонстрирующее один слой ПНБ-покрытия.

Фиг. 3 - поперечное сечение по линиям АА фиг. 1, демонстрирующее другой вариант выполнения изобретения с несколькими смежными слоями ПНБ-покрытия.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Испарительная лодочка 10, нагревающаяся при пропускании электрического тока, должна изготавливаться очень точно для получения точного значения сопротивления. Она обычно имеет форму длинного и тонкого бруска, как показано на фиг. 1, с углублением 12, выполненным в корпусе 11 по крайней мере на одной поверхности 14. Корпус 11 формируется из бруска графита, предпочтительно имеющего высокую плотность и обладающего большой прочностью, который покрыт тонким слоем пиролитического нитрида бора (ПНБ). Для нанесения покрытия используется обычный процесс: в печь, температура которой поддерживается в пределах 1800 - 2200^oC и в которой находится графитовый корпус, вводятся пары аммиака и галогенида бора в нужной пропорции. Покрытие 18 пиролитического нитрида бора, толщина которого обычно не превышает 0,762 мм, полностью изолирует графитовый корпус, за исключением концов 15 и 16, где покрытие срезается для подключения электрических контактов источника питания непосредственно к графитовому корпусу.

В соответствии с изобретением было найдено, что число вспышек, которое может выдержать лодочка до возникновения отказа, может быть существенно увеличено, в результате чего улучшаются ее рабочие характеристики за счет увеличения плотности поверхности ПНБ-покрытия, которая находится в контакте с закладкой металла, что позволяет снизить воздействие на нее в процессе испарения алюминия. Предполагается, что внешняя поверхность ПНБ-покрытия имеет высокую плотность по меньшей мере 2,19 г/см³ и предпочтительно в пределах 2,19 - 2,2 г/см³. Необходимо принимать во внимание, что максимальная теоретическая плотность ПНБ равна 2,27 г/см³, и что плотность покрытия обычной испарительной лодочки равна, примерно, 2,15 г/см³ или менее, причем минимальная плотность, при которой еще обеспечивается стабильная работа, равна 1,95 г/см³. Таким образом, максимальный диапазон плотностей между стабильной работой и максимальным значением составляет 1,95 - 2,27 г/см³.

Можно полагать, что при высокой плотности ПНБ-покрытия формируются кристаллы большей величины с меньшими расстояниями между слоями, в результате чего уменьшается площадь на единицу объема, на которую может воздействовать расплавленный алюминий. Тестирование подтвердило улучшение характеристик при применении ПНБ высокой плотности и показало повышение срока службы лодочки на 20% (подсчет осуществлялся по числу вспышек). Увеличение плотности ПНБ может быть получено точным регулированием температуры внутри печи в диапазоне 1950 - 2000^oC.

ПНБ-покрытие высокой плотности может быть сформировано в виде одного слоя или нескольких слоев, из которых внешний слой имеет увеличенную плотность.

В рамках данного изобретения между ПНБ-покрытием и графитовым корпусом вводится промежуточный слой для компенсации различий в коэффициентах теплового расширения. Этот промежуточный слой может представлять слой пиролитического графита, имеющий толщину в диапазоне 0,00508 - 0,0254 мм. Термин "пиролитический графит" обозначает здесь кристаллическую углеродистую структуру, характеризующуюся высокой степенью ориентации кристаллов. В обычных графитах ориентации кристаллов не отмечается. Кроме того, пиролитический графит обнаруживает анизотропные физические свойства, поскольку он имеет ориентированные плоскости скольжения в отличие от изотропных свойств обычного углерода. Пиролитический графит может быть получен путем химического разложения паров, например, метана, при высокой температуре в камере реактора с использованием подходящего инертного разбавителя.

Испарительная лодочка установки взрывного испарения содержит графитовый корпус, имеющий углубление и внешнее покрытие, состоящее из пиролитического нитрида бора (ПНБ) высокой плотности, при этом внешнее покрытие выполнено с гексагональной кристаллической структурой и плотностью выше по крайней мере 2,19 г/см³ и с промежуточным слоем из пиролитического графита, толщина которого находится в пределах 0,00508 - 0,0254 мм, расположенным между ПНБ-покрытием и графитовым корпусом. Изобретение позволяет увеличить срок службы лодочки. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Испарительная лодочка установки взрывного испарения, содержащая графитовый корпус, имеющий углубление и внешнее покрытие, состоящее из пиролитического нитрида бора (ПНБ) высокой плотности, отличающаяся тем, что внешнее покрытие выполнено с гексагональной кристаллической структурой и плотностью выше по крайней мере 2,19 г/см³, и с промежуточным слоем из пиролитического графита, толщина которого находится в пределах 0,00508 - 0,0254 мм, расположенным между ПНБ-покрытием и графитовым корпусом. 2. Испарительная лодочка по п. 1, отличающаяся тем, что ПНБ-покрытие имеет плотность в диапазоне 2,19 - 2,2 г/см². 3. Испарительная лодочка по п.1, отличающаяся тем, что внешнее ПНБ-покрытие содержит более одного ПНБ-слоя, причем слой, находящийся в контакте с испаряемым металлом, имеет указанную высокую плотность.