Способ нанесения PVD-покрытия на многогранные подложки Российский патент 2023 года по МПК C23C14/24 C23C14/50 C23C14/56 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при напылении вакуумно-плазменных покрытий в электронной, оптической, автомобильной, инструментальной и других отраслях промышленности.

Нанесение износостойких покрытий PVD-способом имеет ряд преимуществ, таких как относительно низкие температуры нанесения покрытия, большие возможности управлять структурой покрытия, экологическая безопасность.

Известны способы непрерывного осаждения на перемещающуюся подложку с двух ее сторон покрытий, сформированных вакуумным осаждением двумя паровыми эжекторами [RU №2755323, RU №2755324 и RU 2755327 - опубл. 15.09.2021 Бюл. №26]. Недостатками этих способов являются сложность установки при необходимости покрытия многогранных подложек, так как для его осуществления требуется несколько источников, и низкая производительность, так как в рабочей зоне находится только одна подложка.

Фактически те же недостатки имеют способы вакуумного PVD-покрытия, изложенные в изобретениях RU 2270274, US 6838151, RU 2423547, RU 2293794, RU 2293793, RU 2297473, JP 2002-080960 A, JP 60-056061 A. DE 102013206598 A1.

Известен способ нанесения вакуумного PVD-покрытия на вращающиеся подложки относительно PVD-источника [RU 2478138 С23С 14/06Б С23С 14/24 - опубл. 27.03.2013 Бюл. №9]. Способ включает нанесение слоя сложного нитрида титана-алюминия и слоя нитрида хрома при вращении покрываемой подложки в виде режущего инструмента относительно распыляемых катодов, между слоем сложного нитрида титана-алюминия и слоем нитрида хрома наносят дополнительный барьерный слой из сложного нитрида циркония-ниобия, при этом нанесение покрытия осуществляют с помощью расположенных горизонтально в одной плоскости и подключенных к сепаратору капельной фазы трех распыляемых катодов в виде титан-алюминевого катода - из сплава ВТ5, цирконий-ниобиевого комбинированного катода с соотношением Zr:Nb=3:l и хромового катода, при вращении покрываемой подложки относительно распыляемых катодов со скоростью 1-2 об/мин. Недостатком этого устройства является ограниченные технологические возможности, так как способ предназначен для покрытия подложек с одной стороны, а для покрытия многогранных подложек требуется многократно прерывать процесс для переустановки подложек. Это резко снижает производительность обработки.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ нанесения PVD-покрытия на многогранные подложки, при котором подложкам придают планетарное движение, а покрытие осуществляют с помощью прямоугольного PVD-источника, размещенного с наружной стороны подложек симметрично по отношению к общей оси их вращения [W.-D. Munz, The new way to hard coatings; Arc Bond Sputtering, ABS Venlo, Hauzer/Techno Coating, 1991-прототип.]. В данном способе симметрично оси вращения планетарного механизма размещены четыре прямоугольные магнетронные распылительные системы (МРС), снаряженные мишенями, выполненными из различных материалов, в зависимости от строения получаемого многослойного покрытия. Несбалансированный эффект магнетронов достигается посредством использования внешних электромагнитных катушек, окружающих магнетроны. Магнитные поля катушек соседних магнетронов имеют противоположную полярность и создают замкнутое магнитное поле для увеличения плотности плазмы в зоне нанесения покрытий. Распыление мишеней выполняется в смешанной атмосфере N₂ и Ar в режиме управления давлением. Многослойная периодическая структура покрытий достигается посредством последовательного облучения покрываемых поверхностей изделий-подложек потоками атомов, испускаемых из четырех катодов-мишеней. В зависимости от предварительно выбранной мощности, подаваемой на мишени от системы электропитания МРС, парциального давления реактивного газа, обеспечиваемого системой напуска и контроля рабочих газов и заданной скорости вращения карусельного устройства, наносятся покрытия с определенным периодом.

Основными недостатками вышеописанного способа является то, что при произвольном вращении многогранных подложек каждая из сторон подложек и каждая из подложек будет по-разному подвергаться воздействию потока частиц от PVD-источника, а неоднородные условия нанесения покрытия не позволяют тонко управлять структурой получаемого покрытия. Другим недостатком является то, что с целью достижения заданной толщины покрытия необходимо ориентироваться во времени на самые неблагоприятные условия воздействия PVD-источника на некоторые из подложек, что существенно снижает производительность обработки.

Задачей изобретения является повышение качества и увеличение производительности нанесения PVD-покрытия на многогранных деталях.

Техническим результатом изобретения является обеспечение однородных условий нанесения покрытия многогранных подложек и расположение рабочих граней подложек под заданным углом к направлению потока вблизи PVD-источника.

Поставленная задача достигается способом нанесения PVD-покрытия на многогранные подложки, при котором подложкам придают планетарное движение, а покрытие осуществляют с помощью прямоугольного PVD-источника, размещенного с наружной стороны подложек симметрично по отношению к общей оси их вращения, подложки устанавливают вокруг их общей оси вращения с угловым шагом, равным:

так, чтобы одно из ребер каждой подложки при позиционировании в месте расположения PVD-источника располагалось под нужным углом к плоскости его излучения, а подложкам придают вращение вокруг своих осей в направлении, противоположном направлению вращения подложек вокруг их общей оси, с частотой, равной

где α₀ - угловой шаг расположения подложек вокруг их общей оси вращения, рад; m - целое число, выбираемое по конструктивным соображениям; n_p - частота вращения каждой подложки вокруг своей оси, об/мин; n_k - частота вращения подложек вокруг их общей оси, об/мин; λ - число граней подложки, на которые наносится покрытие.

Так как угловой шаг расположения подложек установлен по приведенной выше зависимости от числа граней подложек, то это обеспечивает то, что все подложки при позиционировании относительно PVD-источника всегда будут обращены к нему одним из своих ребер под заданным углом, а придание подложкам частоты вращения в зависимости от частоты вращения подложек вокруг их общего центра и от числа граней подложек обеспечивает последовательную смену граней подложки при позиционировании возле потока PVD-источника. Этим достигается однородность условия воздействие PVD-источника как на каждую подложку, так и на каждую грань подложки. А так как при позиционировании в месте расположения PVD-источника каждая подложка расположена к направлению его потока под заданным оптимальным углом что способствует повышению производительности нанесения покрытия. Тем самым решается поставленная задача повышения качества и увеличения производительности нанесения PVD-покрытия на многогранных деталях.

На фиг. 1 изображена схема осуществления способа. На фиг. 1 обозначены:

1. Вакуумная камера» 2 PVD-источник; 3 Планетарный механизм; 4. Подложки с тремя гранями.

В вакуумной камере 1 размещают PVD-источник 2 и планетарный механизм 3 с центром вращения О. Планетарный механизм 3 устанавливают симметрично относительно PVD-источника 2. В планетарном механизме 3 устанавливают подложки 4 с возможностью вращения вокруг их осей симметрии. Подложки 4 устанавливают равномерно вдоль их общей окружности вращения с центром О с угловым шагом, равным:

где m - целое число, выбираемое по конструктивным соображениям; λ - число граней подложек, на которые наносится покрытие.

Кроме того, смежные грани каждой подложки изначально устанавливают симметрично диаметральной плоскости планетарного механизма (β/2 фиг. 1, где β - угол между смежными гранями подложки, рад.) параллельно оси его вращения и так, чтобы ребро, образуемое геометрическим пересечением этих граней подложки, в зоне действия PVD-источника располагалась против потока его излучения.

Процесс PVD-покрытия осуществляют в процессе вращения планетарного механизма 3 вокруг оси О с частотой n_k и при одновременном вращении подложек 4 вокруг их оси симметрии с частотой

где n_p - частота вращения каждой подложки вокруг своей оси симметрии, об/мин; n_k - частота вращения подложек вокруг их общей оси О, об/мин.

Знак «минус» показывает, что вращение подложки осуществляется в направлении, противоположном вращения подложек вокруг их общего центра О. Это важно потому, что покрываемые грани более длительно позиционирует в зоне действия PVD-источника и все это время обращены под нужным углом к источнику. Это позволяет управлять формируемой структурой покрытия и потенциально сокращает потребное время осуществления покрытия и повышает производительность обработки.

При обеспечении соотношения (1) и (2) каждая подложка при повороте планетарного механизма на угол α₀ поворачивается на угол 2π/λ, а при каждом новом повороте подложки относительно PVD-источника подложка обращается к PVD-источнику своим следующим ребром. Тем самым обеспечивается однородность условия покрытия каждой подложки и каждой грани подложки, а, следовательно, одинаковость покрытия. Тем самым решается поставленная задача повышения качества и стабильности качества покрытия.

Пример. Предположим, что алмазоподобному углеродному наноструктурированному PVD-покрытию подвергаются одинаковые трехгранные (λ=3) детали типа «Призма», имеющие центральное отверстие. Покрытие осуществляют на вакуумной на установке DREVA 600, принадлежащей заявителю - ООО «ТехноТерм-Саратов». Вакуумная камера снабжена прямоугольным PVD-источником и планетарным механизмом, расположенным симметрично относительно PVD-источника. Частота вращения планетарного механизма составляет n_k=3 об/мин. Планетарный механизм имеет стойки, направленные вдоль оси вращения планетарного механизма, на которые своими отверстиями нанизываются детали по высоте PVD-источника. Подложки при установке на стойках ориентируют так, чтобы две смежные грани, подвергающиеся покрытию, располагались симметрично диаметральной плоскости планетарного механизма (β/2) ребром их геометрического пересечения наружу. Одна из стоек установлена напротив PVD-источника так, что плоскость симметрии PVD-источника проходит через ось вращения этой стойки и ось вращения планетарного механизма. В таком случае две пересекающиеся грани подложки будут располагаться симметрично относительно потока PVD-источника.

Эксперименты показали, что установка грани призмы под углом порядка 60° к плоскости PVD-источника формируется плотная аморфная структура углеродного покрытия с высокой микротвердостью и адгезией к подложке.

Для обеспечения требуемого качества покрытия, а именно, однородности покрытия всех граней обрабатываемых деталей, по формуле (1) определяем угловой шаг расположения осей вращения подложек. Для этого задаемся целым числом m=5 и находим:

Убеждаемся в том, что при таком угловом шаге расположения подложек они не задевают одна другую при вращении и в том, что они максимально плотно расположены вдоль окружности расположения стоек, на которые они установлены. Тогда по формуле (2) определяем частоту вращения подложек:

При таких параметрах осуществления PVD-покрытия обеспечивается равномерность покрытия всех подложек и всех их граней, что обеспечивает решение поставленной задачи повышения качества. Другим преимуществом данного способа является то, что требуемая толщина покрытия обеспечивается за меньшее время обработки, что обеспечивает более высокую производительность обработки деталей.

Изобретение относится к способу получения методом физического осаждения из газовой фазы алмазоподобного углеродного наноструктурированного покрытия (PVD-покрытия) на трехгранных подложках, имеющих центральное отверстие. В вакуумной камере размещают PVD-источник и планетарный механизм с указанными подложками и наносят PVD-покрытия в процессе вращения планетарного механизма с упомянутыми подложками при одновременном вращении указанных подложек вокруг их оси симметрии в направлении, противоположном направлению вращения упомянутых подложек вокруг их общей оси. В качестве PVD-источника используют прямоугольный PVD-источник, размещенный с наружной стороны указанных подложек симметрично по отношению к общей оси их вращения. Указанные подложки устанавливают вокруг их общей оси вращения с угловым шагом, равным α₀=2π/(m⋅λ+1), с обеспечением расположения одного из ребер каждой указанной подложки при позиционировании в месте расположения прямоугольного PVD-источника напротив плоскости его излучения. Упомянутым подложкам придают вращение вокруг их осей симметрии с частотой, равной n_p=n_k⋅(m+1/λ), где α₀ - угловой шаг расположения подложек вокруг их общей оси вращения, рад, m=5 - целое число, n_p - частота вращения каждой подложки вокруг своей оси, об/мин, n_k=3 об/мин - частота вращения подложек вокруг их общей оси, λ=3 - число граней подложки, на которые наносят покрытие. Обеспечиваются однородные условия нанесения покрытия на многогранные подложки и расположение рабочих граней подложек под заданным углом к направлению потока вблизи PVD-источника. 1 ил., 1 пр.

Способ получения методом физического осаждения из газовой фазы алмазоподобного углеродного наноструктурированного покрытия (PVD-покрытия) на трехгранных подложках, имеющих центральное отверстие, включающий размещение в вакуумной камере PVD-источника и планетарного механизма с указанными подложками и нанесение PVD-покрытия в процессе вращения планетарного механизма с упомянутыми подложками при одновременном вращении указанных подложек вокруг их оси симметрии в направлении, противоположном направлению вращения упомянутых подложек вокруг их общей оси, отличающийся тем, что в качестве PVD-источника используют прямоугольный PVD-источник, размещенный с наружной стороны указанных подложек симметрично по отношению к общей оси их вращения, при этом указанные подложки устанавливают вокруг их общей оси вращения с угловым шагом, равным α₀=2π/(m⋅λ+1), с обеспечением расположения одного из ребер каждой указанной подложки при позиционировании в месте расположения прямоугольного PVD-источника напротив плоскости его излучения, при этом упомянутым подложкам придают вращение вокруг своих осей симметрии с частотой, равной n_p=n_k⋅(m+1/λ), где α₀ - угловой шаг расположения подложек вокруг их общей оси вращения, рад, m=5 - целое число, n_p - частота вращения каждой подложки вокруг своей оси, об/мин; n_k=3 об/мин - частота вращения подложек вокруг их общей оси, λ=3 - число граней подложки, на которые наносят покрытие.