УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМЕ Российский патент 2010 года по МПК C23C14/30 

Изобретение относится к устройствам для нанесения покрытий на рулонные материалы и может быть использовано в различных областях, например при производстве электронных компонентов, магнитных носителей записывающих устройств, декоративных покрытий и т.д.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является "Установка для нанесения покрытий в вакууме", известная из патента РФ на полезную модель №54375, опубл. 27.06.2006. Известная установка включает камеру напыления с испарителем, механизмом подачи испаряемого материала и защитными экранами, камеру пушек, систему откачки воздуха, систему газонатекания, пневмосистему, систему охлаждения, систему электропитания и управления. Установка дополнительно оснащена устройством перемещения, на котором расположена система перемотки с механизмами намотки и размотки, охлаждаемыми и неохлаждаемыми роликами. При этом устройство перемещения выполнено с возможностью стыковки-растыковки с камерой напыления.

Недостаток данной конструкции связан с трудностью размещения установки, поскольку помещение, в котором располагается установка, должно быть оборудовано кран-балкой для загрузки обрабатываемого рулонного материала. Использование одного механизма подачи испаряемого материала в виде слитка не обеспечивает непрерывность процесса, а также равномерность покрытия в течение длительного процесса нанесения, что ограничивает технологические возможности установки. Кроме того, коэффициент использования испаряемого материала довольно низок - около 25%.

Технической задачей, решаемой заявленным изобретением, является создание мобильной установки, характеризующейся простотой в эксплуатации и стабильной работой.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в обеспечении бесперебойной работы установки, а также равномерного нанесения испаряемого материала в течение длительного процесса работы установки при увеличении коэффициента использования испаряемого материала.

Технический результат обеспечивается за счет того, что установка для нанесения покрытий в вакууме включает камеру напыления с, по меньшей мере, одним испарителем и защитными экранами, камеру пушек, систему откачки воздуха, систему газонатекания, систему охлаждения, пневмосистему, систему электропитания и управления, устройство перемещения, выполненное с возможностью стыковки-растыковки, с камерой напыления, на котором расположена система перемотки с механизмами намотки и размотки, охлаждаемыми и неохлаждаемыми роликами. Камера напыления оснащена, по меньшей мере, одним механизмом подачи испаряемого материала в виде слитка и, по меньшей мере, одним механизмом подачи испаряемого материала в виде проволоки, а в непосредственной близости от испарителя и в камере пушек установлена система электромагнитного отклонения лучей.

На устройстве перемещения дополнительно может быть установлена система подъема-опускания рулона обрабатываемого материала.

На фиг.1 показана установка для нанесения покрытий в вакууме (в нерабочем состоянии), на фиг.2 - установка (в рабочем состоянии), на фиг.3 - разрез А-А фиг.2.

Установка для нанесения покрытий в вакууме содержит камеру напыления 1, камеру пушек 2, систему перемотки 3, размещенную на устройстве перемещения 4, систему откачки 5, систему охлаждения 6, систему газонатекания 7, пневмосистему 8 и систему электропитания и управления 9.

Камера напыления 1 снабжена испарителем 10, расположенным на механизме подачи испаряемого материала в виде слитка 11, верхним защитным экраном 12, нижним защитным экраном 13, смотровой системой 14 и пультом управления 15.

Механизм подачи испаряемого материала в виде слитка 11 (далее механизм подачи 11) может быть выполнен, например, из испарителя 10, закрепленного на корпусе механизма подачи 11, а также штока (на фиг. не показан), перемещающего подаваемый материал в зону плавления. В верхней части корпуса механизма подачи установлен подаваемый материал в виде слитка.

Кроме того, в камере установлен механизм подачи испаряемого материала в виде проволоки 16 (далее механизм подачи 16), состоящий, например, из подающих роликов 17, привод которых осуществляется от двигателя 18, катушки с материалом в виде проволоки 19 и направляющих роликов 20. Испаряемый материал в виде проволоки с катушки 19 через механизм подачи 16 поступает в испаритель 10.

Подача испаряемого материала при помощи механизмов подачи 11 и 16 может осуществляться как одновременно, так и раздельно. Кроме того, это позволяет не прерывать процесс нанесения покрытия даже при отказе одного из механизмов подачи 11, 16 или израсходовании испаряемого материала в одном из механизмов подачи 11, 16, что не предусмотрено в установке-прототипе. Использование в заявленной установке в качестве испаряемого материала проволоки совместно со слитком и соответственно механизмов их подачи 11, 16, обеспечивает более равномерное нанесение покрытий в течение длительных процессов работы.

В качестве испаряемого материала могут быть использованы титан, ниобий, цирконий, алюминий и их сплавы.

Испаритель 10 имеет быстросъемную конструкцию, что дает возможность применять различные типы испарителя 10 в зависимости от типа испаряемого материала. Испаритель 10 может быть, например, медным водоохлаждаемым тиглем, тиглем из кубического нитрида бора, «горячим» футерованным тиглем с повышенной скоростью испарения и др. (на фиг. не показано). В установке могут быть расположены как один, так и несколько испарителей 10 в зависимости от требований технологического процесса и необходимых характеристик получаемого продукта.

Наличие в установке дополнительного механизма подачи 16 позволяет применять в качестве испарителя 10 высокопроизводительные испарители с малым объемом навески испаряемого материала. Применение различного типа испарителей 10 позволяет регулировать скорости испарения-конденсации в зависимости от типа наносимого покрытия. Изменяя интенсивность потока пара путем применения различных типов испарителей 10, можно регулировать структуру покрытия, получая микрослойные, многофазные микропористые дисперсно-упрочненные и другие виды покрытий.

Верхний 12 и нижний 13 защитные экраны отделяют зону напыления от остального объема камеры напыления 1.

Система перемотки 3, размещенная на устройстве перемещения, выполнена в виде двух плит 21, закрепленных на опорах 22. Плиты 21 снабжены двухопорными охлаждаемыми направляющими роликами 23, расположенными в зоне напыления, и неохлаждаемыми отклоняющими роликами 24, находящимися вне зоны напыления, а также приводами 25, заслонками 26, механизмами размотки 27 и механизмами намотки 28.

Система перемотки 3 позволяет установить требуемую для заданного покрытия скорость перемещения ленты 29, необходимое натяжение этой ленты 29 в зависимости от материала ленты 29 и возможность нанесения одностороннего или двухстороннего покрытия.

Охлаждаемые 23 и неохлаждаемые 24 ролики обеспечивают транспортировку ленты 29 в камере напыления 1 по заданной траектории. Конструкция охлаждаемых 23 и неохлаждаемых 24 роликов и способ их установки в плитах 21, например в подшипниковых опорах, обеспечивают их быстрый съем, ремонтопригодность или замену. Имеется возможность установки охлаждаемых роликов 23 различных диаметров, что позволяет регулировать параметры конденсации на ленту 29 (например, угол падения парового потока, длина зоны напыления). Эти же параметры также можно регулировать, изменяя траекторию движения ленты 29, благодаря возможности изъятия части охлаждаемых роликов 23 из системы перемотки 3. Эти регулировки зависят от типа наносимого на ленту 29 покрытия.

Охлаждение охлаждаемых роликов 23 системы перемотки 3 предусмотрено для того, чтобы в процессе длительного нанесения покрытий защитить охлаждаемые ролики 23 от критического перегрева, который может вызвать повреждение системы перемотки 3.

Охлаждение охлаждаемых роликов 23 системы перемотки 3 предусмотрено также для того, чтобы в процессе нанесения покрытий при высоких температурах конденсации (до 600°С и выше) защитить ленту 29 от необратимых температурных и механических деформаций, которые могут разрушить ее (например, при температуре конденсации выше 550°С, приближающейся к температуре плавления алюминия, лента из алюминиевой фольги теряет механическую прочность).

Приводы 25, выполненные, например, в виде многомоторной, автоматизированной системы в комбинации с тормозными муфтами (на фиг. не показаны), например электромагнитными порошковыми, обеспечивают заданную скорость и натяжение ленты 29. Уплотнение рулона при намотке осуществляется прижимными роликами (на фиг. не показаны). Имеется система аварийной остановки (на фиг. не показана) привода 25 при обрыве ленты 29.

Такая конструкция системы перемотки 3 позволяет наносить покрытия на ленты 29 из различных материалов: металлические, на лавсановой основе, на тканевой основе, на бумажной основе, графитовые и др.

Устройство перемещения 4 смонтировано на колесах 30, что позволяет при помощи механизма перемещения (на фигурах не показано) отводить его от камеры напыления 1 по рельсовому пути 31 для облегчения обслуживания камеры напыления 1 и системы перемотки 3.

Система откачки 5 создает вакуум в камере напыления 1 и выполнена, например, трехступенчатой.

Система охлаждения 6 позволяет производить охлаждение греющихся частей установки в процессе нанесения покрытия.

Система газонатекания 7 позволяет одновременно по независимым каналам (на фиг. не показаны) поддерживать заданную концентрацию технологического газа в зоне испарения-конденсации и рабочий вакуум в объеме камеры напыления 1 как одним газом (реактивным или нейтральным), так и несколькими газами одновременно (реактивными или нейтральными), а также газовыми смесями. Например, для получения высокопористых покрытий система поддерживает рабочий вакуум в объеме камеры напыления 1 на уровне 1÷3×10^-1 Па, а для получения плотных однородных покрытий - на уровне 5÷8×10^-3 Па. Система обеспечивает подачу в объем различных газов, например O₂, N₂, Ar, воздуха и др. Система газонатекания 7 также позволяет осуществлять процесс нанесения покрытия без присутствия газов в объеме камеры напыления 1.

Система электромагнитного отклонения лучей может, например, состоять из электромагнитных катушек (на фиг. не показано), расположенных в камере пушек 2, а также из магнитопровода 32 П-образной формы с другой электромагнитной катушкой (на фиг. не показано), жестко закрепленных в непосредственной близости от испарителя 10 на расстоянии, не превышающем диаметр испарителя 10, например на расстоянии не более 3 см.

Расположение части системы электромагнитного отклонения лучей, а именно электромагнитных катушек, в камере пушек, а другой ее части, а именно магнитопровода с другой электромагнитной катушкой, в непосредственной близости от испарителя позволяет управлять геометрией луча, т.е. изменять угол падения электронного луча на испаряемый материал, изменяя тем самым геометрию и направление парового потока испаряемого материала в соответствии с требованиями к наносимым покрытиям. Это позволит равномерно наносить испаряемый материал по ширине пленки, а также увеличить коэффициент использования испаряемого материала не менее чем на 40%.

Кроме того, на устройстве перемещения 4 установлена система подъема-опускания рулона обрабатываемого материала 33. Система подъема-опускания рулона обрабатываемого материала 33 состоит из двух опор, закрепленных на устройстве перемещения и связанных рельсовым путем (на фиг. не показано). По рельсовому пути движется индивидуальное подъемное устройство (на фиг. не показано), позволяющее установить рулон обрабатываемого материала в механизм размотки 27 и снять рулон обработанного материала с механизма намотки 28. Наличие системы подъема-опускания рулона обрабатываемого материала 33 обеспечивает мобильность установки.

Установка для нанесения покрытий в вакууме работает следующим образом.

Перед началом процесса нанесения покрытия производится подготовка установки. Для этого устройство перемещения 4, на котором закреплена система перемотки 3, отъезжает от камеры напыления 1 по рельсовому пути 31 при помощи механизма перемещения (на фиг. не показан).

В систему перемотки 3 заправляется лента 29, на которую необходимо нанести покрытие. При этом рулон ленты 29 устанавливается на механизм размотки 27 при помощи системы подъема-опускания рулона 33.

В механизмы подачи 11, 16, находящиеся в камере напыления 1, загружаются испаряемые материалы в виде слитка и проволоки, намотанной на катушку 19, необходимые для выполнения процесса.

После этого при помощи механизма перемещения (на фиг. не показан) устройство перемещения 4 подъезжает и пристыковывается к камере напыления 1 таким образом, что система перемотки 3 оказывается внутри камеры напыления 1.

При помощи пневмосистемы 8 приводятся в действие вакуумные затворы (на фиг. не показаны) системы откачки 5, которая из камеры напыления 1 откачивает воздух от атмосферного давления до предельного вакуума, необходимого для выполнения процесса.

Приводится в действие система газонатекания 7, которая поддерживает заданную концентрацию технологического газа в зоне испарения-конденсации и рабочий вакуум в объеме камеры напыления 1.

С помощью системы электропитания и управления 9 с пульта управления 15 приводятся в действие система перемотки 3, механизмы подачи 11, 16 и электронные пушки, расположенные в камере электронных пушек 2.

В камере напыления 1 с помощью электронных пушек происходит испарение материала в испарителе 10. Поток пара направляется к ленте 29, непрерывно перемещающейся над испарителем 10 от механизма размотки 27, через охлаждаемые и неохлаждаемые ролики 23, 24, а также прижимные ролики (на фиг. не показаны) к механизму намотки 28 и конденсируется на ленте 29.

Параметры конденсации, обеспечивающие формирование на ленте 29 заданного покрытия, определяются системами и механизмами, входящими в состав установки, а именно: системой управления 9, механизмами подачи 11, 16, системой газонатекания 7, системой перемотки 3 и системой электромагнитного отклонения лучей, выполненной, например, из электромагнитных катушек (на фиг. не показано), а также из магнитопровода 32 (см. выше).

С помощью открытия-закрытия заслонок 26 регулируется, на какую сторону ленты 29 будет наноситься покрытие. При открытом положении двух заслонок 26 покрытие на ленту 29 наносится одновременно с двух сторон, при закрытии одной из заслонок 26 - с одной соответствующей стороны.

Посредством системы охлаждения 6 производится охлаждение греющихся частей установки в процессе нанесения покрытия, в том числе и охлаждающихся роликов 23.

За процессом нанесения покрытия на ленту 29 можно наблюдать через смотровую систему 14, например стробоскопическую.

После окончания процесса нанесения покрытия установка остывает, затем камера для напыления 1 девакуумируется. После достижения в камере напыления 1 атмосферного давления устройство перемещения 4 отъезжает от камеры напыления 1 для проведения обслуживания системы перемотки 3, механизмов камеры напыления 1 и самой камеры напыления 1. При этом рулон обработанной ленты 29 снимается с механизма намотки 28 при помощи системы подъема-опускания рулона 33. После этого установка готова для проведения следующего процесса нанесения покрытия в порядке, описанном выше.

Такая цикличность работы установки позволяет путем многократного повторения процесса наносить на ленту 29 многослойные покрытия.

Система перемотки 3 позволяет установить требуемую для заданного покрытия скорость перемещения ленты 29 и возможность нанесения одностороннего или двухстороннего покрытия.

Наличие устройства перемещения 4, смонтированного на колесах 30, позволяет отводить его от камеры напыления 1 по рельсовому пути 31 для облегчения обслуживания камеры напыления 1 и системы перемотки 3.

Система газонатекания 7 позволяет поддерживать заданную концентрацию технологического газа в зоне испарения-конденсации и рабочий вакуум в объеме камеры напыления 1 как одним газом (реактивным или нейтральным), так и несколькими газами одновременно (реактивными или нейтральными) и газовыми смесями, а также осуществлять процесс нанесения покрытия без присутствия газов в объеме камеры напыления 1.

Все вышесказанное указывает на то, что предлагаемое изобретение осуществимо и может быть использовано в промышленности.

Изобретение относится к установке для нанесения покрытий в вакууме на рулонные материалы и может быть использовано в различных областях, например, при производстве электронных компонентов, магнитных носителей записывающих устройств, декоративных покрытий. Установка включает камеру напыления, камеру пушек, систему откачки воздуха, систему газонатекания, систему охлаждения, пневмосистему, систему электропитания и управления, устройство перемещения. Устройство перемещения выполнено с возможностью стыковки- расстыковки с камерой напыления. На устройстве перемещения расположены система подъема-опускания рулона обрабатываемого материала, а также система перемотки с механизмами намотки и размотки, охлаждаемыми и неохлаждаемыми роликами. Камера напыления оснащена, по меньшей мере, одним испарителем, защитными экранами, механизмами подачи испаряемого материала в виде слитка и в виде проволоки. При этом в непосредственной близости от испарителя и в камере пушек установлена система электромагнитного отклонения лучей. Установка позволяет равномерно наносить испаряемый материала в течение длительного и непрерывного процесса работы при увеличении коэффициента использования испаряемого материала. 3 ил.

1. Установка для нанесения покрытий в вакууме, содержащая камеру напыления с, по меньшей мере, одним быстросъемным испарителем и защитными экранами, камеру пушек, систему откачки воздуха, систему газонатекания, систему охлаждения, пневмосистему, систему электропитания и управления, устройство перемещения, выполненное с возможностью стыковки - расстыковки с камерой напыления, на котором расположена система перемотки с механизмами перемотки и размотки и охлаждаемыми и неохлаждаемыми роликами, отличающаяся тем, что камера напыления оснащена, по меньшей мере, одним механизмом подачи испаряемого материала в виде слитка и, по меньшей мере, одним механизмом подачи испаряемого материала в виде проволоки, при этом механизм подачи испаряемого материала в виде слитка состоит из корпуса, закрепленного на корпусе быстросъемного испарителя и штока, механизм подачи материала в виде проволоки состоит из подающих роликов, их привода, катушки с испаряемым материалом в виде проволоки и направляющих роликов, система газонатекания выполнена с по меньшей мере двумя независимыми каналами с возможностью одновременной подачи газов и их смесей с заданными характеристиками, система электромагнитного отклонения лучей состоит из электромагнитных катушек, расположенных в камере пушек, и магнитопровода П-образной формы с электромагнитной катушкой, жестко закрепленных в камере напыления, а устройство перемещения оснащено системой подъема-опускания рулона обрабатываемого материала, состоящей из двух опор, закрепленных на устройстве перемещения и связанных рельсовым путем, и размещенного на рельсовом пути индивидуального подъемного устройства.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что система газонатекания выполнена с возможностью нанесения покрытия без присутствия газов в объеме камеры напыления.

3. Устновка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве испаряемого материала использованы титан, ниобий, цирконий, алюминий и их сплавы.

4. Устновка по п.1, отличающаяся тем, что испаритель выполнен в виде медного водоохлаждаемого тигля.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что испаритель выполнен в виде тигля из кубического нитрида бора.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что испаритель выполнен в виде футерованного тигля с повышенной скоростью испарения.

7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что механизмы подачи испаряемого материала выполнены с возможностью одновременной или раздельной подачи испаряемого материала.