УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ШИРОКУЮ ЛЕНТУ Российский патент 2003 года по МПК C23C14/35 C23C14/56 

Изобретение относится к области нанесения покрытий, различных по назначению и составу, и может быть использовано в машиностроении, электронной, электротехнической, медицинской и других отраслях промышленности.

Известно устройство для нанесения покрытий на протяжные гибкие изделия (RU 2070944, С 23 С 14/34, 27.12.1996), в котором вакуумная камера с секциями соединена с внутренними полостями удлиненных цилиндрических катодов электродных узлов, установленных перпендикулярно камере и электрически от них изолированных. Катоды установлены между цилиндрическими анодами соосно и отделены от них экранами на изолирующих элементах. В вакуумной камере размещен узел транспортировки изделий с подающими и приемными элементами, между которыми установлен узел подачи газа.

Устройство позволяет формировать покрытия на подложках большой протяженности, однако при изменении поперечных размеров подложки более определенной величины необходимо конструктивное изменение узлов и вакуумной камеры, а фиксированное расстояние между подложкой и мишенью ограничивает процесс распыления в узком интервале технологических параметров, что сужает эксплуатационные возможности.

Известна также установка для непрерывного ионного осаждения покрытия на перемещаемый с высокой скоростью пленочный материал (патент Японии 61-54165, С 23 С 14/32, 23.03.1994), содержащая вакуумную камеру, систему вытяжки, систему подачи газа, источник паров осаждаемого материала, при необходимости устройство для управления источником пара, плазменный пистолет, работающий с градиентом давления, при необходимости направляющие устройства и устройства охлаждения, устройство для подачи и намотки пленки. В установке поток плазмы направляют на осаждаемый материал с получением паров, которые подвергают ионизации, с последующим осаждением ионизированных частиц на поверхность перемещаемой пленки. Установке также свойственны недостатки, обусловленные необходимостью конструктивных изменений при использовании ленточной подложки большой ширины и фиксированным расстоянием от источника паров до подложки, которые ограничивают эксплуатационные возможности устройства.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой является установка для нанесения покрытий на ленту (предварительный патент Республики Казахстан 8831, С 23 С 14/34, 14.04.2000), включающая вакуумную камеру, по меньшей мере, один магнетронный распылитель, системы эвакуации, подачи и регулирования расхода газа, устройство для перемещения ленты в виде вращающейся платформы с установленными на периферии пассивными направляющими роликами и крышкой, съемные барабаны с автономными приводами и тормозными устройствами, установленные внутри пространства, ограниченного крышкой и лентой, огибающей снаружи ролики, а разрыв ленточной образующей между пассивными роликами, изменяющими направление ее движения на барабаны, закрыт экраном.

В конструкции устройства предусмотрено жесткое крепление магнетронов на стенках вакуумной камеры на определенном расстоянии от поверхности ленты. При формировании покрытия на ленте, ширина которой превышает размеры сечения потока плазмы, необходимо конструктивное вмешательство, заключающееся в изменении положения магнетронных распылителей на камере. Кроме того, увеличение скорости напыления покрытия при фиксированном расстоянии между подложкой и мишенью возможно лишь изменением электрической мощности, подводимой к магнетронным распылителям, что также накладывает ограничения, особенно в случае применения мишеней из легкоплавких материалов. Названные недостатки ограничивают эксплуатационные возможности установки.

Технический результат изобретения заключается в расширении эксплуатационных возможностей установки за счет упрощения адаптации оборудования при изготовлении изделий с изменением ширины ленты и оптимизации условий формирования покрытий.

Указанный результат достигается в установке для нанесения покрытий на широкую ленту, включающей вакуумную камеру, по меньшей мере, два магнетронных распылителя, системы эвакуации, подачи и регулирования расхода газа, устройство для перемещения ленты в виде вращающейся закрытой сверху платформы с направляющими роликами, съемными барабанами, автономными приводами и тормозными устройствами и экран, закрывающий разрыв ленточной образующей, в которой вакуумная камера снабжена, по меньшей мере, одним окном с крышкой, герметично сочлененной с камерой, на крышке диаметрально размещены магнетронные распылители, крышка выполнена с возможностью ограниченного вращения относительно вакуумной камеры вокруг осевой линии, которая ортогональна плоскости крышки и поверхности ленты, каждый магнетронный распылитель герметично сочленен с крышкой и выполнен с возможностью регулируемого перемещения относительно крышки вдоль собственной осевой линии, а ролики и барабаны выполнены раздвижными.

На фиг. 1 приведена схема сечения предлагаемой установки для нанесения покрытий на широкую ленту, на фиг.2 - схема возможного изменения положения магнетронных распылителей в зависимости от поворота крышки вокруг оси относительно вакуумной камеры, на фиг.3 - схема проецирования потоков плазмы на ленту в зависимости от ширины ленты и перемещения в соответствии с ней магнетронных распылителей при ограниченном вращении крышки относительно вакуумной камеры: а - при размещении магнетронов на диаметре, совпадающем со средней линией ленты, б - диаметре, под углом к средней линии ленты, в - диаметре, перпендикулярном средней линии ленты.

Установка представляет собой вакуумную камеру 1, внутри которой размещена платформа 2 с роликами 3 и барабанами 4 для перемещения ленты 5. Каждый барабан 4 имеет привод 6 и тормозное устройство 7. Вакуумная камера 1 снабжена окнами 8, которые герметично закрыты крышками 9, где по диаметру расположены магнетронные распылители 10. Оси 11 крышек 9 ортогональны плоскости крышек 9 и поверхности ленты 5. Крышки 9 снабжены креплением 12 для фиксации крышки на вакуумной камере 1 и устройством 13 для регулирования угла поворота крышки 9 вокруг оси 11. Магнетронные распылители 10 снабжены механизмом 14 перемещения относительно крышки 9 вдоль собственной осевой линии 15 в направляющих 16. Промежуток между роликами 3, не закрытый лентой 5 при изменении направления ее движения на барабаны 4, закрыт экраном 17.

Установка работает следующим образом. Предварительно на один из барабанов 4 наматывают ленту 5 и устанавливают на платформу 2. Ленту 5 с полного барабана 4, обводя ролики 3 снаружи, заводят на другой барабан. После герметизации и эвакуации воздуха из вакуумной камеры 1 платформе 2 придают вращение. Подачей электрической мощности на магнетронные распылители 10 распыляют мишени. Распыленный материал, оседая на поверхности ленты 5, перемещаемой с платформой 2 относительно магнетронных распылителей 10, формирует слой покрытия, состоящий из субслоев малой толщины, образующихся при разовом прохождении перед распылителями 10. Экран 17 предотвращает проникновение плазменного потока в пространство, где размещены барабаны 4, и нарушение параметров сформированного покрытия.

При этом одновременно включением привода 6 ленту 5 с нанесенным покрытием с роликов 3 непрерывно сматывают на другой барабан 4, что сопровождается подачей ленты с первого барабана на ролики 3 для напыления. Торможение при этом первого барабана 4 устройством 7 способствует натяжению ленты 5 и организации процесса ее перемещения.

При необходимости использования ленты большей ширины ее заводят на ролики 3 и барабаны 4, раздвигая их на ширину ленты 5. Крепления 12, фиксирующие крышку 9 окна 8, освобождают и с помощью устройства 13 для регулирования поворота последнюю сдвигают вокруг оси 11 таким образом, чтобы проекция потоков плазмы на ленту перекрывала ширину ленты. После выполнения указанной операции крышку 9 креплениями 12 фиксируют относительно вакуумной камеры 1. Далее формирование покрытия производят по порядку, изложенному выше.

При необходимости уменьшения или увеличении расстояния от распыляемой мишени до ленты, на которой формируется покрытие, что бывает необходимо при уменьшении или увеличении подводимой к магнетронному распылителю 10 электрической мощности для изменения скорости распыления и сохранения при этом определенных условий формирования кристаллической решетки покрытия, магнетронные распылители или группу их с помощью механизмов 14 перемещают в направляющих 16 вдоль собственных осевых линий 15 к поверхности ленты 5 или от нее. Причем указанное перемещение распылителей 10 возможно без разгерметизации установки и в процессе нанесения покрытия.

При полной перемотке ленты 5 на другой барабан 4 и необходимости формирования отличного по составу или следующего по технологии покрытия или слоя реверсивным включением привода 6 первого барабана 4 ленту 5 перемещают в процессе напыления в обратном направлении с включением тормозного устройства 7 второго барабана 4. Состав покрытия при этом может быть изменен включением распылителей 10, не использованных до этого в формировании покрытия, с другими по составу мишенями, а также сменой состава газовых смесей.

После завершения формирования покрытия или их комбинации прекращают подачу электрической мощности и газовых смесей на магнетронные распылители 9, останавливают вращение платформы 2 и перемещение ленты 5, давление выравнивают с атмосферным, вскрывают вакуумную камеру 1, снимают барабан 4 с лентой 5, на которой нанесено покрытие.

При замене снятого барабана 4 другим с лентой 5, подготовленной к напылению, процесс повторяют.

Использование крышки окна, герметично сочлененной с корпусом, имеющей возможность ограниченного вращения вокруг оси, которая ортогональна плоскости крышки и поверхности ленты, позволяет оперативно адаптировать установку для нанесения покрытий с изменением ее ширины за счет изменения проекций потоков плазмы магнетронных распылителей, размещенных на диаметре крышки, перекрывающих в этом случае всю ширину ленты. Это позволяет расширить эксплуатационные возможности установки.

Возможность регулируемого перемещения магнетронных распылителей, герметично сочлененных с крышкой, вдоль собственной оси также позволяет варьировать условия нанесения покрытия без конструктивного изменения узла применительно к изменениям технологии, что также направлено на достижение технического результата.

Применение роликов и барабанов, выполненных раздвижными, исключает дополнительные операции по переналадке установки при технологических операциях с лентами различной ширины, что делает ее более универсальной.

Изложенное в значительной мере расширяет эксплуатационные возможности установки для нанесения покрытий на широкую ленту.

Установка использована при формировании различных по составу и назначению покрытий на лентах различной ширины из стали, цветных металлов, тефлона, полимерных материалов и бумаги. Несколько примеров приведены ниже.

Пример 1. Нанесение сверхпроводящего покрытия из свинца на медную ленту шириной 50 мм и толщиной 20 мкм при длине 32 м осуществляли с использованием двух магнетронных распылителей, расположенных на диаметре крышки, параллельном средней линии ленты (угол поворота диаметра по отношению к средней линии ленты 0^o), с мишенями из свинца и использованием в качестве плазмообразующего газа аргона. Расстояние от мишеней до поверхности ленты составляло 50 мм. Скорость перемещения ленты с барабана на барабан поддерживали равной 3•10^-4 м•с^-1, скорость вращения платформы - 1,0 с^-1, электрическая мощность, подводимая к каждому магнетрону, составляла 150 Вт. В результате получено высококачественное пленочное сверхпроводящее покрытие с критической температурой перехода, равной 6,8 К, и критической силой тока 2,3•10⁵ А/см².

Пример 2. Нанесение покрытия из нитрида титана на ленту из легированной стали 12Х18Н10Т шириной 80 мм и толщиной 100 мкм при длине 28 м осуществляли с использованием двух магнетронных распылителей, расположенных на диаметре крышки, повернутом относительно средней линии ленты (угол поворота диаметра по отношению к средней линии ленты 40^o), с мишенями из титана при подаче газовой смеси, состоящей из аргона (70%) и азота (30%). Расстояние от мишеней до поверхности ленты в обоих случаях после перемещения магнетронов вдоль оси составляло 40 мм. Скорость перемещения ленты с барабана на барабан поддерживали равной 4•10^-4 м•с^-1, скорость вращения платформы - 0,8 с^-1, силу тока разряда 1,0 А, напряжение 300 В. В результате получено пленочное покрытие золотистого цвета, соответствующее структуре TiN, толщиной 1,2 мкм. Неравномерность толщины покрытия по ширине и длине ленты составила менее 6%.

Пример 3. Композиционный материал, в котором матричным является алюминий, а армирующим свинец, получен при распылении соответствующих мишеней при атомном соотношении алюминия к свинцу, равном 3,88, на ленту, которую впоследствии отделяют от покрытия, из легированной стали шириной 120 мм. Формирование композиционного материала вели с помощью 6 магнетронов, 3 из которых снабжены мишенями из алюминия, 3 - из свинца. Магнетроны с мишенями из алюминия и свинца размещены на разных крышках, причем крышка с магнетронами, имеющими свинцовые мишени, расположена после (по ходу вращения платформы и движения ленты) крышки с магнетронами, снабженными алюминиевыми мишенями. Угол наклона диаметра крышки, на котором размещены магнетроны с алюминиевыми мишенями, по отношению к средней линии ленты составил 80^o, со свинцовыми мишенями - 90^o. Расстояние после перемещения магнетронов вдоль собственной оси составляло от алюминиевых мишеней до поверхности ленты 60 мм, свинцовых - 30 мм. Подводимая к магнетронам мощность составила в каждом случае при распылении алюминия 430 Вт, свинца - 30 Вт. В качестве плазмообразующего газа использован аргон, подвергнутый глубокой очистке от примесей. Скорость перемещения ленты с барабана на барабан поддерживали равной 6•10^-4 м•с^-1, скорость вращения платформы - 1,2 с^-1. После отделения от поверхности ленты получен композиционный пленочный материал, содержащий 79,5 ат.% алюминия и 20,5 ат. % свинца, толщиной 0,9 μм, в котором составляющие представлены отдельными фазами. Неравномерность толщины полученного материала по ширине и длине ленты составила менее 7%. Полученный композиционный материал имеет более высокую (6,8 К) температуру перехода в сверхпроводящее состояние по сравнению с пленочным алюминием (5,8 К).

Таким образом, приведенные примеры использования установки для нанесения покрытий на широкую ленту свидетельствуют о расширении эксплуатационных возможностей применительно к формированию покрытий, различных по составу и технологии получения, на лентах различной ширины за счет упрощения адаптации оборудования и оптимизации условий формирования.

Изобретение относится к области нанесения покрытий и может быть использовано в машиностроении, электронной, электротехнической, медицинской и других отраслях промышленности. Установка для нанесения покрытий на широкую ленту включает вакуумную камеру, по меньшей мере, два магнетронных распылителя, системы эвакуации, подачи и регулирования расхода газа, устройство для перемещения ленты в виде вращающейся закрытой сверху платформы с направляющими роликами, съемными барабанами, автономными приводами и тормозными устройствами и экран, закрывающий разрыв ленточной образующей, при этом вакуумная камера снабжена, по меньшей мере, одним окном с крышкой, герметично сочлененной с камерой, на крышке диаметрально размещены магнетронные распылители, крышка выполнена с возможностью ограниченного вращения относительно вакуумной камеры вокруг осевой линии, которая ортогональна плоскости крышки и поверхности ленты, каждый магнетронный распылитель герметично сочленен с крышкой и выполнен с возможностью регулируемого перемещения относительно крышки вдоль собственной осевой линии, а ролики и барабаны выполнены раздвижными. Изобретение направлено на расширение эксплуатационных возможностей установки за счет упрощения адаптации оборудования при изготовлении изделий с изменением ширины ленты и оптимизации условий формирования покрытий. 3 ил.

Установка для нанесения покрытий на широкую ленту, включающая вакуумную камеру, по меньшей мере, два магнетронных распылителя, системы эвакуации, подачи и регулирования расхода газа, устройство для перемещения ленты в виде вращающейся закрытой сверху платформы с направляющими роликами, съемными барабанами, автономными приводами и тормозными устройствами, и экран, закрывающий разрыв ленточной образующей, отличающаяся тем, что вакуумная камера снабжена, по меньшей мере, одним окном с крышкой, герметично сочлененной с камерой, на крышке диаметрально размещены магнетронные распылители, крышка выполнена с возможностью ограниченного вращения относительно вакуумной камеры вокруг осевой линии, которая ортогональна плоскости крышки и поверхности ленты, каждый магнетронный распылитель герметично сочленен с крышкой и выполнен с возможностью регулируемого перемещения относительно крышки вдоль собственной осевой линии, а ролики и барабаны выполнены раздвижными.