Устройство для синтеза покрытий на диэлектрических изделиях
DEVICE FOR SYNTHESIS OF COATINGS ON DIELECTRIC PRODUCTS

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам для синтеза в вакуумной камере покрытий на диэлектрических 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 (Патент США №5451308, 1995 г.). При давлении газа 0,001 Па и ниже эмитируемые катодными пятнами ионы металла, например титана, осаждаются на поверхности установленных в камере изделий в виде покрытий из титана. Свойства покрытий зависят от энергии ионов, возрастающей с увеличением напряжения отрицательной полярности на изделиях. 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 этого покрытия также зависят от энергии бомбардирующих его ионов, ускоряемых подаваемым на изделие напряжением отрицательной полярности. Недостатками устройства являются эмитируемые катодными пятнами микроскопические капли металла, наличие которых в синтезируемом покрытии ограничивает область применения покрытия, и невозможность подавать напряжение на изделия из диэлектриков, например, из оксидной керамики.
к
к
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, где U - 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 0,1-1 Па, обеспечивающем беспрепятственную транспортировку распыленных атомов до изделий. Свойства покрытия, синтезируемого с использованием планарного магнетрона, сильно 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 является низкий коэффициент использования материала мишени, распыляемого лишь на малой площади ее поверхности в области арочного магнитного поля. Кроме того, концентрация разрядной плазмы и плотность тока бомбардирующих покрытие ионов снижаются у поверхности изделия в десятки раз. Поэтому свойства покрытий, синтезируемых на различных участках поверхности изделия, зависят от расстояния до поверхности мишени. Недостатком устройства является также невозможность бомбардировать ускоренными из плазмы ионами диэлектрические изделия.
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 стенках камеры снижает неоднородность распределения концентрации плазмы в камере, однако на оси камеры концентрация по-прежнему меньше, чем вблизи поверхности мишени. Это является причиной неоднородности свойств синтезируемых на изделиях покрытий. Серьезным недостатком устройства является также невозможность бомбардировать ускоренными из плазмы частицами покрытие, синтезируемое на диэлектрических изделиях.
Задачей предложенного решения является создание устройства для синтеза на диэлектрических изделиях покрытий с повышенной адгезией.
Технический результат - повышение качества синтезируемых покрытий.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что устройство для синтеза покрытий на диэлектрических изделиях, содержащее рабочую камеру, устройство планетарного вращения изделий, установленное внутри камеры с образованием зоны вращения изделий, мишени планарных магнетронов на стенках камеры, источники электропитания магнетронов, соединенные отрицательными полюсами с мишенями, а положительными полюсами с камерой, дополнительно содержит изолированную от камеры и установленную внутри зоны вращения изделий полую цилиндрическую электропроводную сетку, ограниченную на торцах дисками из электропроводящего материала, и источник импульсов высокого напряжения, положительным полюсом соединенный с камерой, а отрицательным полюсом соединенный с сеткой.
Изобретение поясняется чертежами - Фиг. 1 и Фиг. 2,- на которых изображена схема устройства для синтеза покрытий на диэлектрических изделиях.
Устройство для синтеза покрытий на диэлектрических изделиях содержит рабочую вакуумную камеру 1, изолированные от камеры 1 мишени 2, 3, 4, 5, 6 и 7 из необходимого металла, например, титана, источники электропитания 8, 9, 10, 11, 12 и 13 магнетронов, соединенные отрицательными полюсами с мишенями, а положительными полюсами - с камерой 1, устройство планетарного вращения 14 изделий 15, внутри которого установлена изолированная от камеры 1 полая сетка 16, ограниченная торцевыми дисками из электропроводящего теплостойкого материала 17, а также источник импульсов высокого напряжения 18 соединенный положительным полюсом с камерой 1, а отрицательным полюсом - с сеткой 16. Устройство работает следующим образом.
Рабочую вакуумную камеру 1 с диэлектрическими изделиями 15 внутри нее откачивают до давления 1 мПа, включают устройство планетарного вращения 14, затем подают в камеру 1 рабочий газ, например смесь аргона с азотом (15%), и увеличивают давление в камере 1 до 0,1-0,5 Па. Включением источника 18 на сетку 16 подают импульсы напряжения отрицательной полярности с амплитудой, регулируемой от 5 до 30 кВ, длительностью от 5 до 50 мкс и частотой следования от 5 до 50 Гц. При последующем включении источников электропитания 8, 9, 10, 11, 12 и 13 магнетронов камера 1 заполняется плазмой 19 магнетронного разряда. Ускоряемые напряжением в несколько сотен вольт в слоях 20 между плазмой 18 и мишенями 2, 3, 4, 5, 6 и 7 ионы распыляют мишени, и распыленные атомы титана на поверхности изделия вступают в реакцию с атомами азота, образуя покрытие из нитрида титана.
При подаче на сетку 16 высоковольтного импульса ионы 21 из плазмы 19 ускоряются в слое положительного объемного заряда 22 между плазмой 19 и сеткой 16, и влетают внутрь сетки. При столкновениях с атомами газа 23 ускоренные ионы 21 превращаются в результате перезарядки в быстрые нейтральные атомы 24, а образовавшиеся при этом медленные ионы 25 поступают на сетку 16. Быстрые атомы 24 вылетают из сетки и бомбардируют диэлектрические изделия 15. При этом диски 17 исключают проникновение плазмы 19 внутрь сетки 16. Работоспособность дисков 17 обеспечена их электропроводностью (не создается разность потенциалов между сеткой 16 и собственно дисками 17, дестабилизирующая работу устройства, в нашем случае диски изготавливались из материала сетки - титана). При энергии быстрых атомов 30 кэВ глубина их проникновения в изделие достигает 100 нм, и каждый из них в поверхностном слое шириной 100 нм инициирует выбивание около тысячи атомов из узлов кристаллической решетки. В результате атомы материала изделия интенсивно перемешиваются.
При скорости 24 об/мин вращения изделия 15 вокруг своей оси и скорости осаждения покрытий 3,6 мкм/ч (1 нм/с) ширина области перемешивания атомов 100 нм значительно превышает толщину 2,5 нм слоя покрытия, осаждаемого за один период вращения изделия. По этой причине атомы синтезируемого на изделии покрытия из нитрида титана сразу с момента включения магнетронного разряда перемешиваются с атомами изделия. Доля атомов изделия в покрытии снижается до 50% лишь при его толщине, заметно превышающей ширину области перемешивания 0,1 мкм. Поэтому ширина интерфейса - промежуточного слоя между изделием и покрытием - достигает 1 мкм. Это обеспечивает хорошую адгезию - сцепление покрытия с изделием - даже без предварительной очистки и нагрева изделия.
Использование изолированной от камеры и установленной внутри устройства планетарного вращения полой цилиндрической сетки, ограниченной на торцах дисками, и источника импульсов высокого напряжения, положительным полюсом соединенного с камерой, а отрицательным полюсом соединенного с сеткой, позволяет получать импульсные пучки нейтральных атомов с энергией в десятки кэВ и бомбардировать ими покрытие, осаждаемое на вращающееся изделие, что обеспечивает перемешивание атомов изделия и покрытия, увеличение ширины переходного слоя между изделием и покрытием и, как следствие, повышение адгезии и качества последнего.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволяет синтезировать на диэлектрических изделиях покрытия с повышенной 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 диэлектрических 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 диэлектрических 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.