Вакуумная установка для нанесения покрытий

 

Сущность изобретения заключается в том, что вакуумная установка содержит вертикальную камеру с диаметром D и высотой H, неподвижные источники напыления, по меньшей мере, один из которых расположен на торцовой поверхности камеры со стороны загрузки изделий, а другие - на ее цилиндрической поверхности, механизм вращения изделий с элементами их крепления, источники электропитания, системы подачи рабочего и реакционного газов и создания вакуума. Механизм вращения изделия выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения по вертикальной оси камеры, а крепежные элементы выполнены с возможностью вращения относительно своей оси через привод вращения, закрепленный на внутреней цилиндрической поверхности камеры, в качестве неподвижных источников используют магнетрон и/или электродуговой испаритель, имеющий форму диска диаметра d или форму трубки длиной l. Вакуумная установка позволяет наносить равномерные и разнотолщинные покрытия на изделия сложной формы при снижении собственных и эксплуатационных стоимостных издержек. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области распылительной техники, а более конкретно к вакуумным установкам для распыления металлов, преимущественно при создании защитно-декоративных покрытий на посуде, ювелирных и художественных изделий сложной формы в мелкосерийном и индивидуальном производстве, а также может использоваться для нанесения металлических и керамических (нитридных, оксидных, карбидных) покрытий на изделия сложной формы различного функционального назначения.

Известна установка для вакуумного напыления ЭАП-50/1Н-И1 [1] содержащая горизонтально расположенную цилиндрическую вакуумную камеру со средствами откачки, трубчатый магнетронный испаритель, либо u-образный электродуговой испаритель, расположенный по оси вакуумной камеры, источник питания испарителя и планетарную системы вращения крепежных элементов вокруг испарителя. Однако для нанесения декоративных покрытий высокого художественного уровня требуется получение регулируемых разнотолщинных по высоте или длине изделия покрытий (отношение минимальной толщины покрытия к ее максимальной толщине может составлять порядка 1:100, и достигать "разброса" от 0,05-0,1 мкм до 4-5 мкм). В подавляющем большинстве случаев на практике при выполнении декоративных художественных работ требуется получение разнотолщинных покрытий порядка 1:10. При расположении обрабатываемых изделий на дне камеры под напылением значительно (как минимум в 2-3 раза) снижается производительность установки, которая обеспечивает напыление на неподвижные изделия только сверху.

Наиболее близким к изобретению является установка магнетронного типа для напыления [2] которая предназначена для одновременного нанесения покрытий на большое число изделий или подложек. Она содержит цилиндрическую вакуумную камеру с центральным цилиндрическим катодом и вспомогательными цилиндрическими катодами, расположенными по окружности на расстоянии от центрального катода. Держатель изделий размещен так, что покрываемые изделия размещают между центральным и вспомогательным катодами. Держатель содержит опоры для изделий, которые располагают по окружности вокруг центрального катода и могут одновременно вращаться вокруг оси и совершать орбитальное движение вокруг центрального катода.

К недостаткам прототипа следует отнести следующее, что при таком конструктивном выполнении вакуумной установки невозможно получить неравномерное покрытие с соотношением толщин 1:10 для обеспечения плавного перехода различных покрытий по толщине за один цикл загрузки вакуумной камеры. Кроме того, возникают значительные трудности при нанесении различных декоративных покрытий на изделия сложной формы (при условии сопоставимости их размеров размерам вакуумной камеры), например шар, элипсоид вращения, конус, различные полые тела и др. так и при получении декоративных покрытий с заданными свойствами на их поверхности. Такого рода задачи могут быть решены только при двух- и более-кратной перегрузке вакуумной камеры, что ведет к увеличению выхода брака за счет загрязнения изделий, а также возрастают временные и эксплуатационные издержки, связанные с необходимостью разгерметизации камеры для перестановки обрабатываемых изделий и повторного создания вакуума, и с увеличением потребления расходуемых компонентов (электроэнергии, хладагента, рабочего и реактивного газов), что, в конечном счете, предопределяет стоимость работ по нанесению декоративных покрытий. Увеличение количества источников напыления в прототипе и в других технических решениях неизбежно ведет к повышению массогабаритных характеристик установок, а также их стоимости.

Также к недостаткам прототипа следует отнести использование для преобразования вращательного движения и перемещения изделий планетарной зубчатой передачи, включающей зубчатые колеса, одно из которых выполнено с перемещающейся осью вращения. Также использование зубчатых передач в вакууме всегда обеспечивает повышенную загрязненность рабочего объема камер нанесения продуктами износа трущихся частей планетарных зубчатых передач, что ограничивает их использование в производстве изделий массового производства.

Поставленная задача решается за счет сочетания конструкционных признаков вакуумной камеры, механизма планетарного вращения изделий и принципов функционирования неподвижных источников напыления.

Сущность изобретения заключается в том, что вакуумная установка для нанесения покрытия, содержащая цилиндрическую вертикально расположенную вакуумную камеру диаметром D и высотой Н с размещенным в ней подложкодержателем планетарного типа, содержащим опорную стойку с механизмом и приводом вращения вокруг вертикальной оси камеры, подставки подложек, установленные в крепежных элементах на опорной стойке с возможностью орбитального вращения подложек вокруг собственной оси, и источники напыления, распыляемый катод одного из которых установлен соосно с камерой, а катоды остальных источников размещены так, что подставки подложек установлены между этими катодами и осью камеры. Источники напыления неподвижно смонтированы по наружной стороне вакуумной камеры в герметичных фланцах, размеры которых соизмеримы с размерами катодов источников, причем небольшие размеры катодов связаны с габаритными размерами камеры прямо пропорциональной зависимостью, а привод орбитального вращения подставок подложек закреплен на внутренней стороне камеры.

При использовании распыляемых катодов в виде диска с диаметром d размеры камеры связаны с размерами катодов следующими соотношениями H k x D (мм) d m x H (мм), где k и m коэффициенты пропорциональности, эмпирически подбираемые в указанных пределах k 0,7-1; m 0,2-0,5.

При использовании распыляемых катодов в виде трубки длиной l размеры камеры связаны с размерами катодов следующими соотношениями H k x D (мм) l n x H (мм), где k и n коэффициенты пропорциональности, эмпирически подбираемые в указанных пределах: k 0,7-1; m 0,8-1.

В вакуумной установке для нанесения покрытий использован, по-меньшей мере, один источник магнетронного типа, кроме того, по-меньшей мере, один источник дугового типа.

Механизм вращения изделий обеспечивает круговое вращение и возвратно-поступательное движение изделий относительно вертикальной оси вакуумной камеры и позволяет устанавливать изделия на равном расстоянии относительно неподвижных источников напыления, что делает возможным получение неравномерных покрытий по периметру на заданной высоте на изделиях сложной формы. Более того, изделиям, установленным на крепежных элементах наряду с круговым вращением, может придаваться и вращение вокруг своей оси, что значительно расширяет декоративные возможности, обеспечивая нанесение покрытий по всей поверхности обрабатываемых изделий. Оси всех или части крепежных элементов связаны приводом вращения с корпусом вакуумной камеры, причем вращение всех крепежных элементов осуществляется от одного двигателя. Учитывая то, что оси крепежных элементов могут иметь различную длину, можно создавать многоярусную сложную систему вращения для группы, идентичных или соизмеримых по размерам изделий с управляющей толщиной покрытия для изделия каждого яруса при получении смешанных, послойных, сложных (полученных в ходе плазмохимической реакции) покрытий за один цикл загрузки. Это особенно удобно при получении элементов декоративной отделки, рекламных гирлянд, игрушек, других художественно-декоративных изделий. Форма выполнения основы вращения планетарного механизма вращения изделий может быть различной. В частности, она может быть изготовлена в виде диска, в котором выполнены прорези, отверстия, пазы для замены и перестановки крепежных элементов, или представлять собой проволочный (стержневой) каркас с гнездами для размещения осей крепежных элементов.

Вращение равноудаленных от вертикальной оси симметрии камеры обрабатываемых изделий осуществляется за счет охватывающего их привода, представляющего собой гибкий элемент. Гибкий элемент может быть выполнен из упругого эластичного материала, тросика с пружиной, цепной передачи, с возможностью изменения ее длины и т.д. Гибкий элемент закреплен внутри камеры. Изменение длины гибкого элемента позволяет обеспечить напыление на разном расстоянии от оси симметрии камеры (источника напыления), а также создавать на одном ярусе (одной высоте) зону планетарного вращения изделий (по периферии) и зону кругового вращения (в центре), что расширяет технологические возможности установки. Существенным отличительным признаком является соотношение размеров вакуумной камеры (мм), представленное математическим выражением (1). При нарушении его правой части, т.е. если Н>D, во-первых, уменьшается площадь распыления на торцовые части изделий, во-вторых, сужаются технологические возможности установки при нанесении смешанных, послойных и "переходных" покрытий, позволяющих обеспечить плавный переход разнотолщинных покрытий по цветной гамме. Если же 0,7 D≥Н, то часть распыляемого материала осаждается на внутренних стенках камеры, что ведет к увеличению эксплуатационных затрат, а также неоправданно ограничивается высота распыляемых изделий и уменьшается возможность получения широкого спектра оттенков по цветной гамме при переходе от одного цвета к другому.

Следует отметить, что функция распределения толщины покрытия вдоль радиуса r (мм) кругового магнетрона (электродугового испарителя) с диаметром d (мм) (см. фиг.1) и трубчатого магнетрона (электродугового испарителя) с длиной l (мм) (см. фиг.2) существенно отличаются. Как показано на фиг.1, магнетрон позволяет получать пленки с большим разбросом по толщине (функция 1), чем электродуговой испаритель (функция 2), однако радиус напыления магнетрона существенно ниже (при одинаковых диаметрах напыляемых источников и идентичных условиях напыления). На фиг.2 видно, что функция 1 распределения толщины покрытия длиной l (мм) для электродугового испарителя мало отличается от аналогичной функции 2 для трубчатого магнетрона при одинаковой длине трубчатых источников напыления. Круглые напылительные источники (магнетроны и испарители) и напылительные источники трубчатой формы (магнетроны и испарители) являются наиболее оптимальными с точки зрения решаемой задачи. Сочетание различных трубчатых и круглых источников, например электродугового испарителя трубчатой формы и круглого магнетрона, кроме того, дает новый эффект изменение адгезионных свойств покрытий, обусловленный протеканием плазмохимических процессов. Любой из напылительных источников независимо от его типа и геометрической формы монтируется на круглом посадочном фланце, причем диаметр обоих фланцев в конструкции установки одинаков. Круглая форма планетарных магнетронов и электродуговых испарителей выбрана с учетом более высокого, по сравнению с прямоугольным планетарным источником напыления, коэффициентом использования распыляемого материала, выбранной геометрической формы камеры, осевой симметрии поверхностей камеры и напылительных источников, получения неравномерных по высоте покрытий с заданным соотношением толщин (не менее 1:10), а также энергетической эффективности круглых источников, позволящих получать более высокие значения силы тока для повышения декоративных возможностей при проведении плазмохимических процессов. Диаметр круглых источников должен удовлетворять математическому выражению (2). При d ≅ 0,2 Н образуется узкополосное сильно неравномерное по толщине (с отношением минимальной толщины к максимальной порядка 1:100), а также сужается зона взаимного напыления на изделия сложной формы. При d≥0,5 Н получается равномерное по высоте покрытие, а зона взаимного напыления вообще исчезает. Таким образом, при нарушении указанного соотношения сужаются технологические возможности производительности установки.

На фиг. 3 показано продольное, а на фиг.4 поперечное сечение вакуумной установки. Установка состоит и вертикально расположенной вакуумной камеры 1 с диаметром D и высотой Н, двух источников напыления 2, один из которых расположен в плоскости верхней крышки камеры 3 со стороны загрузки изделий, а второй на цилиндрической поверхности камеры, система создания вакуума сообщается с камерой посредством патрубка 4, а системы подачи рабочего и реакционного газов посредством патрубков 5 и 6. В нижней части камеры расположена опора 10 с валом 11 вращения и установленными на ней элементами крепления 9 изделия, выполненными с возможностью вращения изделия 7 относительно своей оси симмметрии посредством привода вращения 8, закрепленного на внутренней поверхности камеры. Подача электроэнергии на источники напыления осуществляется от источников питания.

Вакуумная установка работает следующим образом. Открывают верхнюю крышку 3 вакуумной камеры 1 и фиксируют изделия 7 на крепежных элементах 9 опоры вращения 10. Закрывают крышку вакуумной камеры и откачивают камеру через патрубок 4. Затем в камеру 1 патрубки 5 и 6 впускают рабочий и реакционный газы и проводят напыление. Смесь рабочего и реакционного газов может подаваться одновременно. Многочисленные технологические режимы работы установки разработаны авторами опытным путем под конкретные типы изделий.

Таким образом, данная вакуумная установки при использовании сочетания круглого и трубчатого источников напыления позволяет получить четыре основных варианта напыляемых декоративных покрытий. Особенно наглядно декоративный эффект проявляется при напылении покрытий разных цветов. Например, нитрид титана под цвет золота и нитрид алюминия чеpный. При использовании напылителей (магнетронов и/или электродуговых испарителей из титана и алюминия в среде аргона и азота получают двухцветное покрытие на изделия сложной формы. Рассмотрим в качестве примера вытянутый вдоль вертикальной оси симметрии установки эллипсоид вращения высотой, сравнимой с высотой камеры. В этом случае возможно три основных варианта использования источников напыления, представленных на фиг.5, 6, 7. На фиг.5, 6, 7 обозначены: 1 источник напыления цвета золота; 2 источник напыления черного цвета. В первом случае (фиг. 5) верхняя часть эллипсоида будет иметь наиболее интенсивную золотую окpаску, переходящую в черную, средняя часть черную, а нижняя часть будет слабо запыленной (не изменяя окраски). Во втором случае (фиг.6) весь эллипсоид будет равномерно окрашен в золотой цвет. На фиг.7 эллипсоид будет иметь посередине черную полосу, плавно переходящую в золотую окраску. Во всех трех случаях использовали планетарный механизм вращения изделий. При использовании источников напыления указанного типа и формы возможно их 13 сочетание.

Вакуумная установка изготовлена в лабораторных условиях на предприятии. Ее технологические возможности (напыление на любые объемные фигуры аксиальной формы с получением покрытий с заданными свойствами и получение описанных декоративных покрытий на других объемных фигурах) в сочетании с высокой производительностью за один цикл загрузки позволяют решать обширный круг задач в области напыления защитно-декоративных и других покрытий. Изготовленная установка имеет габариты 600х900х800 мм, занимает площадь менее 0,6 м² при массе менее 150 кг и потребляет электроэнергии порядка 3,5 кВт.

Использование опытного образца установки для нанесения декоративных покрытий на посуде не позволило окупить ее стоимость за 3 месяца.

Формула изобретения

1. ВАКУУМНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ, содержащая цилиндрическую вертикально расположенную вакуумную камеру диаметром D и высотой H с размещенным в ней подложкодержателем планетарного типа, опорную стойку с механизмом и приводом вращения вокруг вертикальной оси камеры, подставки подложек, установленные в крепежных элементах на опорной стойке с возможностью орбитального вращения подложек вокруг собственной оси, и источники напыления, один из которых выполнен с катодом, установленным соосно с камерой, а другие источники снабжены катодами, размещенными с возможностью установления подставки подложек между этими катодами и осью камеры, отличающаяся тем, что источники напыления неподвижно смонтированы на наружной стороне вакуумной камеры в герметичных фланцах, размеры которых соизмеримы с размерами катодов источников, причем наибольшие размеры катодов связаны с габаритными размерами камеры прямо пропорциональной зависимостью, а привод орбитального вращения подставок подложек закреплен на внутренней стороне камеры.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что катоды выполнены в виде диска с диаметром d и размеры камеры связаны с размерами катодов соотношениями H K · D и d m ^> H, где K и m коэффициенты пропорциональности, эмпирически подбираемые в следующих пределах: K 0,7 1,0, m 0,2 0,5.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что катоды выполнены в виде трубок длиной l и размеры камеры связаны с размером катодов соотношениями H K · D, l n · H, где n 0,8 1,0.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один источник напыления выполнен в виде магнетрона.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один источник напыления выполнен в виде электродугового испарителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7