Электродуговой испаритель для нанесения многослойных и смешанных покрытий Советский патент 1993 года по МПК C23C14/32 

Изобретение относится к электродуговому испарителю с несколькими испарительными тиглями, особенно для плазменного напыления смешанных или многослойных покрытий. Такой испаритель можно с успехом использовать везде, где необходимо параллельно или последовательно напылять два или более материалов.

Цель изобретения состоит в получении высококачественных смешанных или многослойных покрытий в плазме при минимальных технико-экономических затратах.

Задача изобретения состоит в создании электродугового испарителя с несколькими тиглями, с помощью которого можно напылять осаждаемые материалы по отдельности или совместно и при переменном соотношении компонентов смеси.

Согласно изобретению, эта задача решается благодаря тому, что электродуговой испаритель содержит катод и несколько анодных испарительных тиглей, изолированных друг от друга, каждый из которых имеет отдельный токоподвод, и все вместе они размещены в зоне действия общей магнитной системы для управления дуговым разрядом. Каждый токоподвод соединен с регулируемым источником тока. Испарительные тигли предпочтительно расположены на небольшом расстоянии друг от друга вокруг центра потока электронов дугового разряда.

Если при эксплуатации испарителя ко всем тиглям подводится одинаковый анодный потенциал, то ток дуги распределяется тоже приблизительно равномерно по всем тиглям, и напыляемые материалы испаряют00 Ы а 4 00 00

со

ся в соответствии со своей испарительной способностью. Если только один тигель соединен с анодным потенциалом, а другой тигель - с плавающим потенциалом, то дуговой разряд поджигается только относи- тельно тигля с анодным потенциалом и испаряется только этот материал, При различных потенциалах на отдельных испарительных тиглях поток электронов соответс твенно,разделяется. Важно лишь, чтобы отдельные располагались в зоне действия общей магнитной системы для управления дуговым разрядом. Непосредственно над тиглями поток электронов дуги подвергается действию потенциалов. Бла- годаря этому компактный многотигельный испаритель позволяет осуществить или последовательное напыление материалов, или напыление смеси материалов в любых соотношениях компонентов. Вид катода, приме- няемого а испарителе, не играет особой роли. Он может представлять собой термокатод или полый катод.

Предпочтительна установка между отдельными тиглями простых масок, чтобы не воздействовать на отдельные напыляемые материалы уже в тигле и, тем самым, не вносит в них примеси. Однако такие маски не должны препятствовать потоку электронов от катода к анодным тиглям. В зависимо- сти от области использования испарителя тигли могут иметь одинаковую конструкцию или быть специально рассчитанными на определенный материал. Например, один тигель может иметь правильную форму, а другой - форму яодочхм, возможно, с приспособлением для подвода материала. При этом такое приспособление должно быть полностью изолировано, чтобы дуга не соединялась с ним.

Включение испарителя в работу происходит известным образом. Можно управлять процессом испарения, например, по расходу или времени. Однако при необходимости можно использовать и местную регу- лировку с помощью измерительных приборов для каждого отдельного напыляемого компонента. Применима также реакционная среда, например N2, Сх или 02.

Далее изобретение поясняется на двух примерах, На приложенных чертежах показано:

фиг. 1 - двухтигельный испаритель согласно примеру 1;

фиг.2 - испаритель с приспособлением для подвода материала согласно примеру 2.

П р и м е р 1. Описывается двухтигельный испаритель. На фиг.1 показана компактная конструкция испарительного тигля 1 без футеровки и тигля 2 с графитовым вкладышем 3. Тигли 1 и 2 изолированы керамическим изолятором 4 друг от друга и установлены вместе в виде блока. К этому анодному узлу относится общая магнитная система, состоящая из катушки 5 и двух боковых магнитных пластин 6, создающих продольное магнитное поле над обоими тиглями 1, 2. Сбоку и конструктивно отдельно от анодного узла размещен полый катод 7. При поджигании известным образом дугового разряда поток электронов попадает в область воздействия магнитного поля и отклоняется им к тиглю 1 и/или 2. Другим средством направления и отклонения потока электронов служит общая маска 8, изолированно размещенная над тиглями 1 и 2. Благодаря своему плавающему потенциалу, маска 8 фокусирует поток электронов через отверстия непосредственно на напыляемый материал, находящийся в тигле 1 или 2. Тем самым предотвращается образование потока электронов относительно других анодных деталей (не тиглей). В состав маски 8 входит вертикальная диафрагма 9, назначение которой - в том, чтобы отдельные потоки напыляемого материала не могли попасть в другой тигель и создать нежелательные отложения.

Подача потенциала к анодным тиглям 1 и 2 происходит раздельно по линиям 11 и 12. На чертеже не показан подвод охладительной воды. Ниже описано применение этого испарителя для изготовления смешанного титаново-медного покрытия в соотношении 5:1, используемого для поверхности износостойких электрических контактов.

В приемниках известным образом регулируется давление аргона до величины, не превышающей Ы0 Па. Затем поджигают электрическую дугу в полом катоде 7, причем тигель 1 с титаном служит в качестве анода. После кратковременной стабилизации разряда анодный ток на тигле 2 устанав- ливается на 50 А. Благодаря этому достигается скорость испарения титана 0,5 г/мин и меди - 0,1 г/мин. Напыленный TI- Си слой обладает прочностью, обусловленной наличием плазмы, плотностью, хорошей проводимостью и высокой однородностью. Его получение с помощью предложенного многотигельного испарителя весьма экономично и легко поддается регулированию.

Путем изменения анодных токов на тиглях можно изменять соотношение смеси в слое практически от 100:0 до 0:100. При постоянном или временном наличии газов-реагентов можно существенно повысить многообразие получаемых видов покрытий.

П р и м е р 2. Описывается предлагаемый испаритель с постоянным подводом испаряемого материала. Этот испаритель рассчитан особенно на получение покрытий из смесей с алюминием, так как алюминий сравнительно трудно испарять с помощью известного дугового разряда.

В этом испарителе в качестве катода использован термокатод 13. Общая магнитная система состоит из катушек 14 и 15, оба источника испарения объединены в блок, как на фиг.1, тигель 1 служит для испарения титана, а объединенная с ним лодочка 16 из борида титана служит для испарения алюминия. Алюминий подается посредством приспособления 17. В качестве примера получали покрытие из TlxAlyNz в качестве защитного слоя для режущего инструмента. Процесс начинался, как в примере 1. Затем тигель 1 устанавливали под анодный ток 350 А, а лодочку 16 - под анодный ток 40 А. Скорость испарения при этом составляла: для титана 0,5 г/мин, а для алюминия 0,2 г/мин. Соотношение скоростей испарения можно в этом случае регулировать соответ- ствующими анодными токами, а также (в определенных пределах) посредством скорости подачи алюминиевой проволоки. Парциальное давление азота устанавливается на величину 1 Па.

При технологической необходимости можно изменять и соотношение смеси, то есть осаждать непосредственно на подлож765

ку сначала слой чистого титана, после чего слой TIN с градиентом, а только затем, снова с градиентом, слой TlxAlyNz.

В обоих примерах ясно видно многообразие возможностей использования испарителя с тем преимуществом, что не требуется каждый раз новых затрат.

В примерах показаны два тигля или лодочки. Очевидно, однако, что можно использовать три или четыре тигля, хотя при этом возникает вопрос, существует ли практическая необходимость нанесения одновременно такого количества веществ.

Формула изобретения

1.Электродуговой испаритель для нанесения многослойных и смешанных покрытий, содержащий катод, несколько испарительных тиглей и источник питания, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей, испарительные тигли изолированы один от другого и снабжены магнитной системой и токоподводами, подключенными к регулируемым источникам питания, причем тигли размещены между полюсными наконечниками магнитной системы.

2.Испаритель по п.1, отличающий- с я тем. что один или несколько тиглей снабжены системой подачи испаряемого материала.

3.Испаритель по пп.1 и2,отличаю- щ и и с я тем, что тигли снабжены масками.

1 ц 2 фиг.1

сЛ±

1 9

фие.г

Использование: нанесение многослойных и смешанных покрытий в вакууме и может найти применение в радиоэлектронной промышленности. Сущность изобретения: расширение технологических возможностей испарителя достигается за счет возможности регулирования потоков одновременно двух или нескольких материалов при переменном соотношении компонентов смеси. При этом испаритель содержит несколько изолированных анодных тиглей, каждый из которых снабжен то- коподводами, подключенными и регулируемым источникам питания, а тигли размещены между полюсными наконечниками магнитной системы. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.