Устройство для синтеза покрытий Российский патент 2019 года по МПК H01J27/04 

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к устройствам для синтеза в вакуумной камере покрытий на проводящих изделиях.

Известно устройство для синтеза покрытий с электродуговыми испарителями металла, в которых плоская мишень из необходимого металла испаряется катодными пятнами вакуумно-дугового разряда между рабочей вакуумной камерой и мишенью внутри нее (Патент США №5 451 308, 1995 г.). При давлении газа 0,001 Па эмитируемые катодными пятнами ионы металла, например, титана, бомбардируют установленные в камере изделия под отрицательным напряжением до 1 кВ. Они очищают изделия от загрязнений и нагревают их до оптимальной для синтеза покрытий температуры ~500°С. При подаче в камеру азота и увеличении его давления до 0,5 Па ионы на пути к изделию многократно сталкиваются с молекулами азота, перезаряжаются, и большинство из них превращается в нейтральные атомы титана. На поверхности изделия они вступают в реакцию с азотом, образуя износостойкое покрытие из нитрида титана. Свойства покрытия зависят от энергии бомбардирующих изделие ионов, ускоряемых подаваемым на изделие напряжением около 100 В.

Недостатками устройства являются эмитируемые катодными пятнами капли металла, наличие которых в синтезируемом покрытии ограничивает область применения покрытий.

Известно устройство для синтеза покрытий с планарным магнетроном, в котором плоская мишень из необходимого металла распыляется ионами из плазмы тлеющего разряда в арочном магнитном поле вблизи поверхности мишени, являющейся катодом разряда (Патент США №3878085, 1975 г.). При бомбардировке мишени ионами она эмитирует электроны, которые ускоряются в слое положительного объемного заряда между плазмой и катодом до энергии eU_κ, где U_κ - падение потенциала между плазмой и катодом. Каждый электрон, влетевший в плазму, движется в ней по отрезку окружности, перпендикулярной магнитному полю, возвращается в слой и отражается в нем обратно в плазму. В результате он проходит по замкнутой ломаной криволинейной траектории вблизи поверхности мишени путь, превышающий размеры мишени в сотни и тысячи раз. Это позволяет поддерживать тлеющий разряд при давлении газа около 0,1 Па, обеспечивающем беспрепятственную транспортировку атомов распыляемой мишени до изделий. Свойства покрытия зависят от плотности энергии, транспортируемой на поверхность покрытия. Если эту энергию переносят бомбардирующие поверхность ионы из разрядной плазмы, ускоряемые подаваемым на изделия напряжением отрицательной полярности, то ее плотность пропорциональна концентрации плазмы.

Недостатком планарного магнетрона являются низкая концентрация разрядной плазмы у поверхности изделия и низкая плотность тока ионов, бомбардирующих покрытие.

Наиболее близким решением по технической сущности к изобретению является устройство для синтеза покрытий, содержащее рабочую вакуумную камеру, устройство планетарного вращения изделий вокруг вертикальной оси камеры, мишени планарных магнетронов, равномерно распределенные на боковых стенках камеры и источники электропитания магнетронов (Surface and Coating Technology. 1992. V. 50. P. 169-178). Равномерное распределение магнетронных мишеней на камере снижает неоднородность распределения плазмы в ней, однако в середине камеры концентрация плазмы по-прежнему значительно меньше, чем вблизи поверхности мишени.

Недостатком известного устройства, в том числе технической проблемой являются неоднородность синтезируемых покрытий и неудовлетворительная адгезия.

Задачей предложенного решения является создание устройства для синтеза на изделиях покрытий с улучшенными свойствами и повышенной адгезией.

Технический результат - повышение качества синтезируемых покрытий за счет обеспечения однородности свойств синтезируемых покрытий и повышения их адгезии.

Поставленный технический результат достигается тем, что устройство для синтеза покрытий, содержащее рабочую вакуумную камеру, установленное внутри последней с образованием зоны вращения изделий устройство планетарного вращения изделий, источник напряжения смещения, соединенный положительным полюсом с рабочей вакуумной камерой, а отрицательным полюсом с устройством планетарного вращения изделий, мишени планарных магнетронов на стенках рабочей вакуумной камеры и источники электропитания магнетронов, соединенные отрицательными полюсами с соответствующими мишенями, дополнительно снабжено установленным внутри зоны вращения изделий на оси рабочей вакуумной камеры и изолированным от нее стержневым анодом, соединенным с положительными полюсами источников электропитания магнетронов.

Изобретение поясняется чертежами - Фиг. 1 и Фиг. 2 - на которых изображена схема устройства для синтеза покрытий.

Устройство для синтеза покрытий содержит рабочую вакуумную камеру 1, установленное внутри последней с образованием зоны вращения изделий устройство 2 планетарного вращения изделий 3, источник 4 напряжения смещения, соединенный положительным полюсом с рабочей вакуумной камерой 1, а отрицательным полюсом с устройством планетарного вращения 2, мишени 5 из необходимого металла, например, титана планарных магнетронов (на чертежах не показаны), находящиеся на стенках рабочей вакуумной камеры 1 и изолированные от нее, источники 6 электропитания магнетронов, соединенные отрицательными полюсами с соответствующими мишенями 5, а положительными полюсами - со стержневым анодом 7, установленным внутри зоны вращения изделий на оси рабочей вакуумной камеры 1 и изолированным от нее.

Устройство работает следующим образом.

Рабочую вакуумную камеру 1 с изделиями 3 внутри нее откачивают до давления 1 мПа, включают устройство планетарного вращения 2, затем подают в камеру 1 рабочий газ и увеличивают давление в камере 1 до 0,1-0,5 Па. При включении источников электропитания 6 магнетронов и подаче на анод 7 поджигающего импульса напряжения ~500 В положительной полярности, зажигается разряд, и камера 1 заполняется плазмой 8. Электроны 9 из плотной плазмы вблизи поверхности мишеней 5 магнетронов движутся в радиальном направлении к стержневому аноду 7. При токе в цепи каждой магнетронной мишени 10 А общий ток, переносимый электронами равен 60 А. Плотность тока j возрастает обратно пропорционально расстоянию r до стержневого анода, а концентрация плазмы быстро снижается с уменьшением этого расстояния. На расстоянии r_o, при котором плотность хаотического тока электронов в плазме j_o, прямо пропорциональная ее концентрации, снижается до величины плотности тока j, происходит повышение потенциала пространства. Электроны 9 ускоряются в окружающей анод 7 области 10, ограниченной цилиндрической поверхностью с радиусом r_o, и интенсивно ионизуют в ней газ. Из-за рассеяния электронов при столкновениях с молекулами газа они до попадания на анод 7 могут многократно пересекать эту область, отражаясь обратно на расстоянии от оси камеры r=r_o. В результате концентрация плазмы у поверхности анода повышается до величины, обеспечивающей равенство j_o=j. Увеличение концентрации плазмы в центре камеры приводит значительному повышению ее однородности.

После включения источника напряжения смещения 4 на изделия подается напряжение -1000 В, ионы из плазмы 8 ускоряются и бомбардируют изделия 3. Если рабочим газом является азот, происходит очистка изделий, нагрев до 400-500°С и упрочнение поверхностного слоя толщиной ~50 мкм. При последующем заполнении камеры 1 смесью аргона с азотом (15%) и включении источников электропитания 6 магнетронов ионы, ускоряемые напряжением в несколько сотен вольт в слоях 11 между плазмой 8 и мишенями 5, распыляют мишени. Распыленные атомы титана вступают на поверхности изделий в реакцию с атомами азота, образуя твердое покрытие из нитрида титана. В процессе синтеза покрытия его бомбардируют ионы, ускоряемые напряжением ~100 В от источника напряжения смещения 4.

Использование установленного на оси камеры и изолированного от нее стержневого анода, соединенного с положительными полюсами источников электропитания магнетронов, позволяет значительно повысить однородность плазмы магнетронных разрядов, что обеспечивает очистку поверхности, повышение твердости поверхностного слоя изделия, осаждение на него более твердого тонкого покрытия и, как следствие, повышение износостойкости и адгезии последнего.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволяет синтезировать на изделиях покрытия с повышенной плотностью и адгезией. Это в свою очередь обеспечивает более высокую износостойкость покрытий.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача -создание устройства для синтеза покрытий на изделиях, которое обеспечивало бы повышенную адгезию покрытий - решена, а технический результат - повышение качества синтезируемого покрытия - достигнут.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для синтеза на изделиях покрытий с повышенной адгезией;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в нижеизложенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам для синтеза покрытий на изделиях в рабочей вакуумной камере. Устройство для синтеза покрытий содержит рабочую вакуумную камеру, установленное внутри последней с образованием зоны вращения изделий устройство планетарного вращения изделий, источник напряжения смещения, соединенный положительным полюсом с рабочей вакуумной камерой, а отрицательным полюсом с устройством планетарного вращения изделий, мишени планарных магнетронов на стенках рабочей вакуумной камеры и источники электропитания магнетронов, соединенные отрицательными полюсами с соответствующими мишенями, дополнительно снабжено установленным внутри зоны вращения изделий на оси рабочей вакуумной камеры и изолированным от нее стержневым анодом, соединенным с положительными полюсами источников электропитания магнетронов. Технический результат - повышение качества синтезируемых покрытий за счет обеспечения однородности свойств синтезируемых покрытий и повышения их адгезии. 2 ил.

Устройство для синтеза покрытий, содержащее рабочую вакуумную камеру, установленное внутри последней с образованием зоны вращения изделий устройство планетарного вращения изделий, источник напряжения смещения, соединенный положительным полюсом с рабочей вакуумной камерой, а отрицательным полюсом с устройством планетарного вращения изделий, мишени планарных магнетронов на стенках рабочей вакуумной камеры и источники электропитания магнетронов, соединенные отрицательными полюсами с соответствующими мишенями, отличающееся тем, что оно снабжено установленным внутри зоны вращения изделий на оси рабочей вакуумной камеры и изолированным от нее стержневым анодом, соединенным с положительными полюсами источников электропитания магнетронов.