ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЕ УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЙ Российский патент 2018 года по МПК C23C14/35 C23C14/56 H01J37/34 

Изобретение относится к области технологических устройств для формирования пленочных покрытий различного целевого назначения. Оно может быть эффективно использовано в автомобилестроении, при формировании защитных и биосовместимых слоев дентальных и ортопедических имплантатов, при изготовлении технологических слоев электролитических ячеек тонкопленочных интегральных аккумуляторов, в химических реакторах, которые работают в агрессивных средах и в условиях высоких температур.

Известно плазменно-дуговое устройство формирования покрытий, содержащее вакуумную камеру с продольной осью O-O1, перпендикулярной плоскости первой координаты X и второй координаты Y и направленной вдоль третьей координаты Z, при этом в вакуумной камере осесимметрично размещены катодный узел, включающий катод, выполненный из электропроводящего материала, анод, который охватывает катод, и включающий также экранирующий электрод, расположенный между катодом и анодом, магнитная система, которая состоит из последовательно размещенных первой электромагнитной катушки с торцевой поверхностью, а также второй электромагнитной катушки и держатель подложки, содержащий также источник питания, подключенный к аноду и катоду, обеспечивающий возникновение между ними электрической дуги [UA 86105].

Недостаток этого устройства заключается в следующем. Оптимальным положением катода является такое, при котором плоскость, проходящая через его рабочую поверхность и параллельно ей, совпадает с плоскостью торцевой поверхности первой электромагнитной катушки. В этом случае электромагнитные поля, сформированные первой и второй электромагнитным катушками, способствуют созданию в области рабочей поверхности катода плазменной зоны, где образуется ионная компонента, бомбардирующая поверхность катода и снижающая электрический потенциал образования плазменной дуги с током I_д. При работе устройства в стационарном режиме формирование покрытия на подложке происходит за счет расходуемого катода. В этом случае происходит выработка рабочей поверхности катода, уменьшение его массы и размера. Конструкция рассматриваемого устройства такова, что выработка катода обеспечивается только за счет снятия материала с его рабочей поверхности, что приводит к уменьшению размера катода и ухода его рабочей поверхности из оптимального положения. В этом случае не выполняются условия оптимальности для размещения катода, что приводит к изменению режима работы устройства, изменению тока дуги. Следовательно, процесс нанесения покрытия становится неконтролируемым в части как параметров процесса нанесения (скорость, равномерность, интенсивность каплеобразования), так и в части характеристик самого покрытия (плотность, адгезия, шероховатость). При этом характеристики покрытия становятся нестабильными.

Технический результат изобретения заключается в том, что при любой степени выработки рабочей поверхности катода оно позволяет сохранять условия оптимальности его положения по отношению к магнитным полям, что делает процесс нанесения покрытий контролиремым, а характеристики покрытий воспроизводимыми и стабильными.

Указанный технический результат достигается тем, что в плазменно-дуговом устройстве формирования покрытий, содержащем вакуумную камеру с продольной осью O-O1, перпендикулярной плоскости первой координаты X и второй координаты Y и направленной вдоль третьей координаты Z, при этом в вакуумной камере осесимметрично размещены катодный узел, включающий катод, выполненный из электропроводящего материала, анод, который охватывает катод, и включающий также экранирующий электрод, расположенный между катодом и анодом, магнитная система, которая состоит из последовательно размещенных первой электромагнитной катушки с торцевой поверхностью, расположенной в плоскости первой координаты X и второй координаты Y, а также второй электромагнитной катушки, и держатель подложки, содержащем также источник питания, подключенный к аноду и катоду, обеспечивающий возникновение между ними электрической дуги, катодный узел снабжен первым приводным механизмом, обеспечивающим перемещение вдоль оси O-O1 катода и вторым приводным механизмом, обеспечивающим вращение катода вокруг оси О-Ol.

Существует вариант, в котором катод включает рабочую поверхность, расположенную в плоскости первой координаты X и второй координаты Y, а перемещение катода по оси O-Ol должно быть таковым, чтобы могло осуществляться совмещение рабочей поверхности катода с торцевой поверхностью первой электромагнитной катушки, перпендикулярной.

Существует вариант, в котором первый приводной механизм и второй приводной механизм могут работать независимо друг от друга.

Существует вариант, в котором уровень оптимального положения рабочей поверхности катода после ее выработки определяется значением тока I_p разряда электрической дуги.

Существует вариант, в котором в устройство введен измеритель тока с блоком управления и силовым блоком, подключенным к первому приводному механизму.

Существует вариант, в котором в устройство введен оптический датчик, оптически сопряженный с рабочей поверхностью катода и подключенный к блоку сравнения с силовым блоком, соединенным с первым приводным механизмом.

Существует вариант, в котором второй приводной механизм снабжен регулятором скорости, обеспечивающим дискретное включение второго приводного механизма.

Существует вариант, в котором оптический датчик снабжен подвижным защитным экраном.

Существует вариант, в котором подвижный защитный экран может занимать два фиксированных положения, первое из которых закрывает оптический датчик, а второе открывает оптический датчик.

Существует вариант, в котором подвижный защитный экран может занимать второе фиксированное положение, открывающее оптический датчик при отсутствии тока электрической дуги.

На фиг. 1 изображена компоновочная схема плазменно-дугового устройства формирования покрытий.

На фиг. 2 изображен вариант, в котором плоскость рабочей поверхности катода совпадает с плоскостью торцевой поверхности первой электромагнитной катушки.

На фиг. 3 и 4 изображен вариант, в котором плоскость рабочей поверхности катода не совпадает с плоскостью торцевой поверхности первой электромагнитной катушки.

Плазменно-дуговое устройство для формирования покрытий содержит вакуумную камеру 1 с продольной осью O-Ol, перпендикулярной плоскости первой координаты X и второй координаты Y и направленной вдоль третьей координаты Z. При этом в вакуумной камере 1 осесимметрично размещены следующие элементы. Катодный узел 2, включающий катод 3, выполненный из электропроводящего материала, анод 4, который охватывает катод 3, и включающий также экранирующий электрод 5, расположенный между катодом 3 и анодом 4. В качестве материала катода 3 можно использовать различные металлы, сплавы, композиции, например W, Mo, NiCr, AlSi. В качестве материала анода 4 можно использовать металлы, например легированные стали аустенитного типа 08Х18Н10Т. В качестве материала экранирующего электрода 5 можно также использовать стали аустенитного типа 08Х18Н10Т. Средства откачки вакуумной камеры 1 условно не показаны. Плазменно-дуговое устройство формирования покрытий содержит также магнитную систему, которая состоит из последовательно размещенных первой электромагнитной катушки 10 с торцевой поверхностью 11, расположенной в плоскости первой координаты X и второй координаты Y, а также второй электромагнитной катушки 15. Первая электромагнитная катушка 10 и вторая электромагнитная катушка 15 в одном из вариантов имеют внешний диаметр каркасов, равный 150 мм, и запитываются от источников постоянного тока с параметрами 3А, 40В и 3А, 25В соответственно. В вакуумной камере 1 также осесимметрично размещен держатель подложки 21, на котором закрепляют подложку 22. Держатель подложки 21 может представлять собой водоохлаждаемую металлическую пластину, имеющую возможность соединения с источником постоянного или переменного напряжения (не показано). Плазменно-дуговое устройство формирования покрытий содержит также источник питания 25, подключенный к аноду 4 и катоду 3, обеспечивающий возникновение между ними электрической дуги. Катодный узел 2 снабжен первым приводным механизмом 30, обеспечивающим перемещение вдоль оси O-O1 катода 3. В качестве первого приводного механизма 30 можно использовать, например, мотор-редуктор типа IG-32 PGM, 24 В фирмы НПФ «Электропривод». Катодный узел 2 снабжен также вторым приводным механизмом 33, обеспечивающим вращение катода 3 вокруг оси О-O1. В качестве второго приводного механизма 33 можно также использовать мотор-редуктор типа IG-32 PGM, 24 В фирмы НПФ «Электропривод».

Существует вариант, в котором катод 3 включает рабочую поверхность 35, расположенную в плоскости первой координаты X и второй координаты Y. Перемещение катода 3 по оси O-Ol должно осуществляться до совмещения плоскости рабочей поверхности 35 катода 3 с торцевой поверхностью 11 первой электромагнитной катушки 10. В простейшем варианте контроль этого совмещения может осуществляться визуально.

Существует вариант, в котором первый приводной механизм 30 и второй приводной механизм 33 могут работать независимо друг от друга. Это может быть осуществлено за счет независимого управления этими механизмами от силового блока 42 и регулятора скорости 49.

Существует вариант, в котором уровень оптимального положения рабочей поверхности 35 катода 3 после ее выработки в результате испарения материала определяется значением тока разряда I_р электрической дуги. Критерий оптимального положения рабочей поверхности 35 катода 3 после ее выработки и момент установки ее в плоскость торцевой поверхности 11 первой электромагнитной катушки 10 может определяться значениями тока разряда I_р, соответствующими оптимальному режиму горения дуги. Величина тока разряда I_р, соответствующая оптимальному режиму горения дуги, определяется как I_р= I_р.ст, где I_р - текущее значение тока разряда, I_р.ст - значение тока разряда имеющее место в стационарном режиме.

Существует вариант, в котором в устройство введен измеритель тока 40 с функцией сравнения измерения и сравнения текущего значения тока разряда и заданного значения тока разряда, блок управления 41 с функцией задания оптимального значения тока разряда и первый силовой блок 42 с функцией формирования и подачи управляющего сигнала на приводной механизм 30 в случае наличия разницы между текущим значением тока разряда и заданным значением тока разряда.

Существует вариант, в котором в устройство введен оптический датчик 44, оптически сопряженный с рабочей поверхности 35 катода 3 и подключенный к блоку сравнения 46 с вторым силовым блоком 47, соединенным с первым приводным механизмом 30. В качестве оптического датчика 44 можно использовать датчик расстояния типа DS30 фирмы SICK AG. (Германия).

Существует вариант, в котором второй приводной механизм 33 снабжен регулятором скорости 49, обеспечивающим дискретное включение второго приводного механизма 33. В качестве привода с регулятором скорости может быть использовано устройство типа LSMV фирмы Leroy Somer (США).

Существует вариант, в котором оптический датчик 44 снабжен подвижным защитным экраном 45. В качестве подвижного защитного экрана 45 можно использовать пластину из металла, например из нержавеющей стали, конструкция которой позволяет эффективно защищать фотоприемное устройство оптического датчика.

Существует вариант, в котором подвижный защитный экран 45 может занимать два фиксированных положения, первое из которых закрывает фотоприемное устройство оптического датчика 44 от потока распыляемого материала, а второе открывает фотоприемное устройство оптического датчика 44 для проведения необходимых измерений расстояния до рабочей поверхности катода.

Существует вариант, в котором подвижный защитный экран 45 может занимать второе фиксированное положение, открывающее оптический датчик 44 при отсутствии тока электрической дуги.

Устройство работает в следующей последовательности. В вакуумной камере 1 создают рабочую газовую среду, например, на основе аргона и кислорода. Подают рабочее напряжение, например 60 В, на первую электромагнитную катушку 10 и на вторую электромагнитную катушку 15. Вследствие этого формируются электромагнитные поля, как показано на фиг. 2. На катод 3 и анод 4 устройства подают напряжение, например 120 В, и посредством осциллятора (не показан) зажигается плазменная дуга между анодом 4 и катодом 3. Значение тока дуги I_д задают блоком управления 41, величину тока дуги I_д измеряют измерителем тока 40 и в случае их рассогласования сигнал рассогласования передается на силовой блок 42, который подает напряжение на приводной механизм 30. При горении электрической дуги происходит распыление рабочей поверхности 35 катода 3 и нанесение распыляемого материала на подложку 21. При этом за счет определенной конфигурации магнитных полей, формируемых первой электромагнитной катушкой 10 и второй электромагнитной катушкой 15, как это видно на фиг. 2 и 3, в зоне рабочей поверхности 35 катода 3 создается магнитная ловушка, где формируется плазменная зона 51, которая является источником положительных ионов, бомбардирующих рабочую поверхность катода. Положительные ионы, бомбардирующие рабочую поверхность 35 катода 3, способствуют снижению потенциала электронной эмиссии, более равномерному распределению точек привязки электрической дуги (кратеров) на рабочей поверхности 35 катода 3, уменьшению их размера и увеличению их количества на этой поверхности. Вследствие чего в составе переносимого материала покрытия увеличивается ионная компонента и снижается капельная фаза. Вышеописанные условия нанесения покрытий являются оптимальными для формирования покрытий с высокими технологическими характеристиками и воспроизводимостью. Задачей технологического оборудования является обеспечение таких оптимальных условий постоянно во время всего технологического процесса нанесения. Однако при горении электрической дуги постоянство оптимальных условий нарушается вследствие «выработки» рабочей поверхности 35 катода 3 за счет материала переносимого на поверхность подложки 22. В результате чего размер катода 3 по второй координате Y уменьшается и картина взаимного положения магнитных полей, плазменной зоны 51 и рабочей поверхности 35 катод 3 приобретает вид, показанный на фиг. 3 и 4. В этом случае рабочая поверхность 35 катода 3 перемещается ниже плазменной зоны 51, чем нарушаются условия оптимальности. Для устранения этого при помощи первого приводного механизма 30 катод 3 перемещают по второй координате Y до его возвращения в условия оптимальности. Критерием оптимальности является значение тока дуги I_д, первоначально задаваемое блоком управления 41, которое и должно поддерживаться постоянным. То есть катод 3 перемещают по второй координате Y до тех пор, пока ток, фиксируемый измерителем тока 40, не будет равным току, заданному блоком управления 41. Это и будет обозначать достижение рабочей поверхности 35 катода 3 оптимального положения. Кроме того, во время работы устройства оптимальное положение рабочей поверхности 35 катода 3 может определяться показаниями оптического датчика 44, который фиксирует расстояние от своего стационарного положения до центра рабочей поверхности 35 катода 3. Изменение этого расстояния при выработке рабочей поверхности 35 катода 3 фиксируется блоком сравнения 46, после чего второй силовой блок 47 подает напряжение на первый приводной механизм 30, который перемещает рабочую поверхность 35 по второй координате Y до тех пор, пока не восстановится первоначальное расстояние от рабочей поверхности 35 катода 3 до значения этого расстояния, зафиксированного первоначально оптическим датчиком 44. В процессе нанесения покрытия на подложку 22 оптический датчик 44 защищен подвижным защитным экраном 45, который находится в закрытом положении. Оптический датчик 44 проводит измерения при открытом положении подвижного экрана 45 при отсутствии тока дуги I_д. При наличии же тока дуги I_д подвижной экран 45 находится в закрытом состоянии. Второй приводной механизм 33, осуществляющий вращение катода вокруг своей оси, включается оператором в работу в любой момент проведения технологического процесса, причем скорость вращения задается регулятором скорости 49. То, что в плазменно-дуговом устройстве формирования покрытий, содержащем вакуумную камеру 1 с продольной осью O-O1, перпендикулярной плоскости первой координаты X и второй координаты Y и направленной вдоль третьей координаты Z, при этом в вакуумной камере 1 осесимметрично размещены катодный узел 2, включающий катод 3, выполненный из электропроводящего материала, анод 4, который охватывает катод 3, и включающий также экранирующий электрод 5, расположенный между катодом 3 и анодом 4, магнитная система, которая состоит из последовательно размещенных первой электромагнитной катушки 10 с торцевой поверхностью 11, расположенной в плоскости первой координаты X и второй координаты Y, а также второй электромагнитной катушки 15, содержащем также держатель подложки 21 и источник питания 25, подключенный к аноду 4 и катоду 3, обеспечивающий возникновение между ними электрической дуги, катодный узел 2 снабжен первым приводным механизмом 30, обеспечивающим перемещение вдоль оси O-O1 катода 3 и вторым приводным механизмом 33, обеспечивающим вращение катода 3 вокруг оси O-O1, приводит к тому, что обеспечивается возможность сохранения оптимальных условий работы катода и получение воспроизводимых и стабильных характеристик покрытия в процессе технологического цикла его нанесения. При этом снижается интенсивность процесса каплеобразования и загрязнения поверхности подложки микрокаплями.

То, что катод 3 включает рабочую поверхность 35, расположенную в плоскости первой координаты X и второй координаты Y, а перемещение катода 3 по оси O-O1 должно осуществляться до совмещения рабочей поверхности 35 катода 3 с торцевой поверхностью 11 первой электромагнитной катушки 10 приводит к тому, что появляется возможность в автоматическом режиме работы обеспечивать оптимальные условия работы катода и получать воспроизводимые и стабильные характеристики покрытий.

То, что первый приводной механизм 30 и второй приводной механизм 33 могут работать независимо друг от друга, приводит к тому, что увеличивается гибкость в управлении работой заявляемого устройства и обеспечивается воспроизводимость процессов нанесения покрытий.

То, что уровень оптимального положения рабочей поверхности 35 катода 3 после ее выработки определяется током разряда I_р электрической дуги, приводит к тому, что оптимальное расположение поверхности катода сохраняется автоматически, за счет чего обеспечивается воспроизводимость и стабильность характеристик нанесенных покрытий.

То, что в устройство введен измеритель тока 40 с блоком управления 41 и силовым блоком 42, подключенным к первому приводному механизму 30, приводит к тому, что создаются условия для автоматизации процесса нанесения покрытий в оптимальном режиме на основе измерения текущего значения тока разряда и сравнения его с заданным значением в стационарном режиме, за счет чего обеспечивается воспроизводимость процессов нанесения покрытий.

То, что в устройство введен оптический датчик 44, оптически сопряженный с рабочей поверхности 35 катода 3 и подключенный к блоку сравнения 46 с силовым блоком 47, соединенным с первым приводным механизмом 30, приводит к тому, что создаются условия для автоматизации процесса нанесения покрытий в оптимальном режиме на основе измерения текущего расстояния между рабочей поверхностью катода и сравнения с заданным значением этого расстояние в стационарном режиме, за счет чего обеспечивается воспроизводимость процессов нанесения покрытий.

То, что второй приводной механизм 33 снабжен регулятором скорости 49, обеспечивающим дискретное включение второго приводного механизма 33, приводит к тому, что имеется возможность в технологически необходимое время осуществлять вращение катода вокруг своей оси, тем самым также снижать интенсивность процесса каплеобразования и загрязнения поверхности подложки микрокаплями, за счет чего обеспечивается воспроизводимость и стабильность характеристик нанесенных покрытий.

То, что оптический датчик 44 снабжен подвижным защитным экраном 45, приводит к тому, что осуществляется защита фотоприемного устройства оптического датчика 44 от напыляемого материала в технологическом процессе напыления, за счет чего обеспечивается воспроизводимость процессов нанесения покрытий.

То, что подвижный экран 45 может занимать два фиксированных положения, первое из которых закрывает оптический датчик 44, а второе открывает оптический датчик 44, приводит к тому, что фотоприемное устройство оптического датчика открыто только тогда, когда отсутствует поток напыляемого материала, что обеспечивает сохранность фотоприемного устройства и сохранение его рабочих характеристик, за счет чего обеспечивается воспроизводимость процессов нанесения покрытий.

То, что подвижный экран 45 может занимать второе фиксированное положение, открывающее оптический датчик 44 при отсутствии тока электрической дуги, приводит к тому, что обеспечивается возможность проведение измерения расстояния от фотоприемного устройства до рабочей поверхности катода, за счет чего обеспечивается воспроизводимость процессов нанесения покрытий.

Изобретение относится к плазменно- дуговому устройству для формирования покрытий и может быть эффективно использовано при формировании защитных и биосовместимых слоев дентальных и ортопедических имплантатов, при изготовлении технологических слоев электролитических ячеек тонкопленочных интегральных аккумуляторов и в химических реакторах, которые работают в агрессивных средах и в условиях высоких температур. В вакуумной камере (1) с вертикально расположенной продольной осью O-O1 осесимметрично размещены катод (3), охватывающий его анод (4) и экранирующий электрод (5) катодного узла (2). Устройство также содержит магнитную систему, держатель (21) подложки (22) и источник питания (25. Катод (3) выполнен из электропроводящего материала, а экранирующий электрод (5) расположен между катодом (3) и анодом (4). Магнитная система состоит из последовательно размещенных первой электромагнитной катушки (10) с торцевой поверхностью (11), расположенной в плоскости, перпендикулярной продольной оси О-O1 камеры(1), и второй электромагнитной катушки (15). Источник питания (25) подключен к аноду (4) и катоду (3) с обеспечением возникновения между ними электрической дуги. Катодный узел (2) снабжен первым приводным механизмом (30) с первым силовым блоком (42) и вторым приводным механизмом (33). Катод (3) установлен в камере (1) с расположением его рабочей поверхности (35) в плоскости, перпендикулярной продольной оси O-O1 камеры и с возможностью перемещения вдоль продольной оси O-O1 камеры, посредством первого приводного механизма с обеспечением совмещения плоскости размещения рабочей поверхности (35) катода (3) с плоскостью размещения торцевой поверхности (11) первой электромагнитной катушки (10), и с возможностью вращения катода (3) вокруг продольной оси O-O1 камеры посредством второго приводного механизма (33). В результате любой степени выработки рабочей поверхности катода, изобретение позволяет сохранять условия оптимальности положения катода по отношению к магнитным полям, что делает процесс нанесения покрытий контролируемым, а характеристики покрытий стабильными. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Плазменно-дуговое устройство для формирования покрытий, содержащее вакуумную камеру (1) с вертикально расположенной продольной осью O-O1, осесимметрично размещенные в камере катод (3), охватывающий его анод (4) и экранирующий электрод (5) катодного узла (2), магнитную систему, держатель (21) подложки (22) и источник питания (25), при этом катод (3) выполнен из электропроводящего материала, экранирующий электрод (5) расположен между катодом (3) и анодом (4), магнитная система состоит из последовательно размещенных первой электромагнитной катушки (10) с торцевой поверхностью (11), расположенной в плоскости, перпендикулярной продольной оси О-O1 камеры (1), и второй электромагнитной катушки (15), а источник питания (25) подключен к аноду (4) и катоду (3) с обеспечением возникновения между ними электрической дуги, отличающееся тем, что катодный узел (2) снабжен первым приводным механизмом (30) с первым силовым блоком (42) и вторым приводным механизмом (33), при этом катод (3) установлен в камере (1) с расположением его рабочей поверхности (35) в плоскости, перпендикулярной продольной оси O-O1 камеры, и с возможностью перемещения вдоль продольной оси O-O1 камеры посредством первого приводного механизма с обеспечением совмещения плоскости размещения рабочей поверхности (35) катода (3) с плоскостью размещения торцевой поверхности (11) первой электромагнитной катушки (10), и с возможностью вращения катода (3) вокруг продольной оси O-O1 камеры посредством второго приводного механизма (33).

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый приводной механизм (30) и второй приводной механизм (33) выполнены с возможностью работы независимо друг от друга с обеспечением вращения катода (3) с постоянной скоростью и продольного его перемещения (3) в автоматическом режиме.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено измерителем тока (40) и блоком управления (41), причем блок управления (41), измеритель тока (40) и первый силовой блок (42) первого приводного механизма соединены последовательно с возможностью обеспечения заданного положения расположения рабочей поверхности катода (3) путем поддержания значением тока электрической дуги I_p между рабочей поверхностью (35) катода (3) и анодом (4).

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено оптическим датчиком (44), блоком сравнения (46) и вторым силовым блоком 47, соединенным с первым приводным механизмом (30), при этом оптический датчик (44) оптически сопряжен с рабочей поверхностью (35) катода (3) и подключен к блоку сравнения (46) и второму силовому блоку 47.

5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что второй приводной механизм (33) снабжен регулятором скорости (49), обеспечивающим дискретное включение второго приводного механизма (33).

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что оптический датчик (44) снабжен подвижным защитным экраном (45).

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что подвижный защитный экран (45) выполнен с возможностью размещения в двух фиксированных положениях, первое из которых закрывает оптический датчик (44), а второе открывает оптический датчик (44).

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что подвижный защитный экран (45) выполнен с возможностью размещения во втором фиксированном положении, открывающем оптический датчик (44) при отсутствии тока электрической дуги.