Устройство для получения защитно-декоративных покрытий в вакууме ионно-плазменным напылением

 

Существо изобретения заключается в том, что устройство для получения защитно-декоративных покрытий в вакууме методом ионно-плазменного напыления содержит вакуумную камеру, внутри которой расположены мишень источника напыляемого материала, анод, термоэмиссионный катод, держатель покрываемых изделий, экран-заслонку, а также источник рабочего газа и, по крайней мере, в частном случае один источник реакционных газов. Мишень выполнена в виде двух кругообразных элементов, электрически соединенных и установленных параллельно. Анод выполнен в виде одного или двух электрически соединенных колец, соосных цилиндрическому каркасу, причем анод соединен с первым источником регулируемого постоянного напряжения, мишень источника напыляемого материала соединена со вторым источником регулируемого напряжения, катод соединен с источником регулируемого напряжения, а источники рабочего и реакционного газов соединены с внутренней полостью вакуумной камеры. Устройство отличается оригинальной конструкцией источника напыляемого материала и анода и предусматривает наличие между термоэмиссионным катодом и держателем экрана-заслонки, что устраняет в неравномерность концентрации ионов в области между катодом и анодом и исключает нежелательные неоднородности в оттенке покрытия. 6 з.п.ф., 1 ил.

Изобретение относится к области нанесения защитных и декоративных покрытий на изделия (в том числе и фасонные) из металла, стекла, керамики и может быть использовано для нанесения покрытий на режущий инструмент, детали машин (для повышения стойкости), а также на товары народного потребления - посуду, кафельную плитку, бижутерию, оправы для очков, зубные протезы и т.д.

Известна установка нанесения износостойких покрытий методом ионно-плазменного напыления [см. /1/, с. 77 78, рис. 4.I, а] использующая схему распыления на постоянном токе и состоящая из двух электродов (диодная схема), помещенных в вакуумную камеру. На катоде-мишени помещен материал, подлежащий распылению. На другом электроде или отдельно от него установлена подложка. Для того, чтобы распыляемый материал не взаимодействовал с остаточным газом, систему предварительно откачивают до давления порядка 10^-4 Па. После откачки вакуумную камеру заполняют рабочим инертным газом (например аргоном) до давления 1,3.13,3 Па. После создания необходимого рабочего давления на электрод с мишенью подают отрицательное напряжение, в результате создается лавинообразная газовая плазма.

Этой установке присущи следующие недостатки: значительная доля примесей в рабочем газе, низкий коэффициент осаждения распыляемых частиц, неравномерная концентрация плазмы.

Известна установка [см. /2/] для получения покрытия на изделии (подложке) методом ионного осаждения с использованием тлеющего разряда в условиях невысокого вакуума. В установке использована диодная схема, состоящая из катода, выполненного в виде серий пластин-мишеней, изготовленных из осаждаемого материала и размещенных внутри по периферии вакуумной камеры вокруг покрываемого изделия, установленного внутри камеры и соединенного с первым источником напряжения. Катод соединен со вторым источником напряжения. Камера снабжена нагревателем и соединена с источником рабочего газа. Камеру нагревают для удаления органических загрязнений с подложки. Затем зажигают тлеющий разряд, подавая отрицательное смещение на катод и по методу катодного распыления наносят покрытие. Внешний нагрев на этой стадии не требуется, т. к. разряд генерирует достаточную мощность. Распыление материала катода происходит при ионной бомбардировке. Осаждающийся материал диффундирует к подложке с образованием нужного покрытия. К подложке в ходе осаждения прикладывают отрицательное смещение для уплотнения покрытия.

Недостатками этой установки являются низкая скорость осаждения покрытия и пористость покрытия, которая является следствием высокого давления рабочего газа при напылении.

Более распространена "триодная" система ионного распыления [см. /1/, с. 78, рис. 4.1, б] с накаливаемым катодом из вольфрама. Поскольку катод эмитирует электроны, разряд между катодом и анодом возникает при сравнительно низком напряжении. В зоне между катодом и анодом помещена мишень, имеющая отрицательный потенциал. Система работает при давлении до 10^-1 Па.

Недостаток системы неравномерность концентрации ионов в области между катодом и анодом. Это приводит к тому, что участки мишени, расположенные ближе к аноду или катоду, распаляются несколько больше, что приводит к получению покрытия неравномерной толщины. Из-за наличия термокатода в системе нельзя проводить реактивное распыление в среде таких активных газов, как кислород.

Известна установка для плазменного напыления на большие поверхности [см. /3/] которая является разновидностью "триодной" системы. Установка содержит катод для эмиссии электронов и расположенный на некотором расстоянии от него кольцевой анод. Источником напыляемого материала служит антикатод, окруженный анодом. Между антикатодом и держателем покрываемых подложек находится зона напыления. В зону напыления вводят газ, ионизируемый электронами для получения плазмы. Вокруг антикатода и подложки размещается формирующий плазму электрод электрически изолированный от анода. На этот электрод подается потенциал, отличающийся от потенциала, подаваемого на анод для создания электрического поля в зоне напыления. Поле в этой зоне способствует отталкиванию электронов от формирующего электрода к аноду и формированию плазмы с более равномерным распределением положительных ионов над большой поверхностью антикатодов.

Таким образом данная установка предназначена для получения покрытий только плоских изделий или отдельных поверхностей изделий и не может быть эффективно использована для покрытия фасонных изделий.

Наиболее близким по технической сущности аналогом заявляемого устройства является устройство для получения металлического покрытия способом ионного напыления на изделия [см./4/] Схема устройства представляет собой модификацию "триодной" системы ионно-плазменного напыления покрытия. Устройство содержит вакуумную камеру со съемным верхним и нижним фланцами, вращаемый держатель, расположенный внутри камеры, закрепленный на верхнем фланце и имеющий в своем составе вращаемый цилиндрический сосуд с проницаемой стенкой из нержавеющей сетки, внутри которого расположены напыляемые изделия. На сосуд с изделиями подается отрицательное смещение от источника напряжения. Устройство содержит анод, установленный внутри камеры, на нижнем ее фланце и соединенный с регулируемым источником постоянного напряжения, вольфрамовый проволочный катод, установленный внутри камеры на нижнем ее фланце и соединенный с отдельным источником напряжения для нагрева катода для получения термоэмиссии электронов. Между анодом и катодом установлен источник материала покрытия, выполненный в виде твердой мишени из материала покрытия, и распыляемой катодным распылением. В верхнем фланце установлена трубка напуска рабочего газа аргона.

Данное устройство позволяет путем поддержания газового разряда в атмосфере аргона при разряжении ниже 0,133 Па, получать при таком давлении беспористое покрытие с отличной от столбчатой структурой, а значит повышенной стойкостью к коррозии и окислению.

Однако в данном устройстве для обеспечения хорошей адгезии, высокой плотности и твердости покрытия, на изделие подают отрицательное смещение не менее нескольких десятков вольт. При этом подложка бомбардируется положительно запряженными ускоренными ионами с энергией, величина которой не менее десятков электронвольт. Такая бомбардировка используется для предварительного нагрева, очистки и активизации подложки, а также для уплотнения осаждающихся слоев. Однако, непосредственно подать отрицательное смещение от источника питания можно только на изделия, проводящие электрический ток, например, металлические изделия.

Для активации поверхности диэлектрических изделий, применяют дополнительные устройства, такие, как ионные источники, нагреватели, нагревающие стекло и керамику излучением. Но даже в случае предварительного нагрева в вакууме, нанесенная пленка имеет недостаточную прочность сцепления с основой из стекла и керамики и для увеличения адгезии применяется последующая термообработка.

Использование ионных источников, значительно улучшающих адгезию пленок к стеклянным подложкам, усложняет конструкцию и технологию нанесения.

Для равномерного покрытия всей поверхности изделий сложной формы - фасонных изделий необходима сложная конструкция системы вращения изделий относительно источника материала покрытия.

Таким образом, недостатками наиболее близкого аналога являются: нанесение покрытий только на металлические изделия и необходимость использования дополнительных устройств для покрытия диэлектрических и фасонных изделий, что приводит к усложнению конструкции устройства и технологии обработки изделий и увеличению времени получения покрытия.

Задачей заявляемого изобретения является создание устройства для получения защитно-декоративных покрытий, обладающих хорошей адгезией, твердостью и равномерным цветовым оттенком по всей поверхности металлических, стеклянных, керамических и других изделий простой и сложной формы, а также фасонных изделий методом ионно-плазменного напыления в вакууме и позволяющего упростить технологию нанесения покрытия и уменьшить время получения покрытия.

Сопоставительный анализ с наиболее близким аналогом показывает, что заявляемое устройство отличается от него наличием источников реакционных газов, соединенных с внутренней полостью вакуумной камеры наличием экрана-заслонки, расположенной между катодом и держателем покрываемых изделий, другой конструкцией анода и мишени источника напыляемого материала, а также соединениями и взаимным расположением элементов конструкции заявляемого устройства.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого устройства с известными техническими решениями показывает, что известны устройства для получения покрытий в вакууме методом ионно-плазменного напыления, в основе которых лежит одна из модификаций триодной схемы.

Однако неизвестны устройства, имеющие такую же конструкцию анода и мишени источника напыляемого материала, как в заявляемом устройстве, а также экран-заслонку, экранирующую изделие от попадания на него частиц катода и устраняющую неравномерность концентрации ионов в области между катодом и анодом, и источников реакционных газов. Т.е. использование в конструкции заявляемого устройства вышеперечисленных элементов, оригинальность их соединений и взаимного расположения позволяют судить об отличительных особенностях заявляемого устройства.

Кроме этого, необходимо отметить, что в заявляемом устройстве отсутствует система вращения изделий относительно источника напыляемого материала и отсутствуют дополнительные элементы термообработки изделий, что позволяет упростить конструкцию и уменьшить время нанесения покрытий. В заявляемом устройстве не подается напряжение на само изделие, что позволяет расширить ассортимент покрываемых изделий.

Все это позволяет сделать вывод о наличии изобретательского уровня в решении поставленной задачи.

На чеpтеже представлен общий вид заявляемого устройство в разрезе.

Где показаны: 1 термоэмиссионный катод; 2 анод; 3 мишень; 4 вакуумная камера; 5, 6 первый и второй источники регулируемого постоянного напряжения; 7 - источник регулируемого напряжения; 8 изолятор; 9 верхний фланец вакуумной камеры; 10 нижний фланец вакуумной камеры; 11 рубашка водяного охлаждения; 12 держатель изделия; 13 трубка напуска рабочего газа; 14 трубка напуска реакционного газа; 15 экран-заслонка.

Заявляемое устройство представляет собой модификацию триодной ионно-плазменной системы напыления покрытий с термоэмиссионным катодом 1, выполненным например в виде проволочной вольфрамовой спирали, анодом 2, выполненным в виде одного или двух колец, размещенных по периферии разрядного устройства, и мишенью-электродом источника напыляемого материала 3, все они расположены внутри вакуумной камеры 4. Кольца анода 2 соединены с первым источником регулируемого постоянного напряжения 5, мишень соединена со вторым источником регулируемого постоянного напряжения 6, термоэмиссионный катод соединен с источником регулируемого напряжения 7. Мишень 3 выполнена в виде кругов, каждый из которых имеет по крайней мере одно отверстие в центре, и расположенного между ними цилиндрического каркаса, который может быть выполнен, например, из прутковых, трубчатых или полосковых элементов. Плоскости кругов, оснований цилиндрического каркаса и колец анода параллельны нижнему основанию вакуумной камеры. Причем геометрические центры кругов расположены на оси цилиндрического каркаса. Круги установлены с помощью изоляторов соответственно на верхнем 9 и нижнем 10 фланцах-основаниях вакуумной камеры, а цилиндрический каркас закреплен на стенках вакуумной камеры. Причем круги и каркас электрически соединены между собой. Анод 2 выполнен либо в виде одного кольца, расположенного между верхним кругом и плоскостью верхнего основания цилиндрического каркаса. Либо в виде двух колец, т.е. когда к первому вышеупомянутому кольцу дополнительно между нижним кругом и плоскостью нижнего основания цилиндрического каркаса устанавливается второе кольцо. Причем, и в одном и в другом случаях, как первое, так и второе кольцо анода соосны цилиндрическому каркасу, а плоскости их расположения параллельны нижнему основанию вакуумной камеры. Нить накала термоэмиссионного катода расположена в плоскости, параллельной нижнему основанию вакуумной камеры и между плоскостью нижнего круга и плоскостью нижнего основания цилиндрического каркаса мишени источника напыляемого материала. Вакуумная камера откачивается вакуумным насосом до остаточного давления не выше 10^-3 Па. Она имеет рубашку водяного охлаждения 11. Верхний и нижний фланцы вакуумной камеры съемные. Камера снабжена держателем изделия 12, размещенным в центральной части камеры и закрепленном на верхнем фланце при помощи изолятора 8. Форма держателя может быть произвольной, но она должна обеспечивать размещение изделий в центральной части с устройства и минимальный контакт держателя с изделием, т.к. в точках контакта покрытие будет отсутствовать. Одним из примеров выполнения держателя может быть петля из металлической тонкой проволоки. Возможно на держателе предусмотреть и размещение нескольких изделий при условии не слишком сильной экранировки их друг другом от распыляющейся мишени.

Газовый разряд инициируется при минимальном рабочем давлении аргона Р 3^oC5·10^-2 Па, который напускается в камеру через трубку напуска рабочего газа 13. (Аргон является одним из примеров инертных газов, которые могут применяться в качестве рабочего газа).

Термоэмиссионный катод накаливается пропусканием тока и эмитирует термоэлектроны. На анод подается положительное напряжение. При этом разряд загорается первоначально между катодом и близкорасположенными участками камеры, а затем распространяется равномерно по всему объему камеры. Изделие равномерно охватывается плазмой несамостоятельного газового разряда и, будучи изолированным от заземленной камеры, будет заряжаться отрицательно относительно плазмы, за счет заряда электронами плазмы, приобретая отрицательный, так называемый "плавающий потенциал", величина которого определяется температурой электронов плазмы и другими параметрами [см./5/]).

Весьма важным для заявляемого устройства является то, что для данного типа разряда температура электронов, выражения в энергетических единицах, составляет 10^oC20 эВ, что на порядок больше, чем для самостоятельного тлеющего разряда 1^oC2 эВ [см./5/] Этот факт, а также конструктивные особенности устройства малая площадь анода, форма и расположение мишени обуславливают довольно большую величину "плавающего потенциала" на изделии, порядка нескольких десятков вольт. Это приводит к достаточно интенсивной ионной бомбардировке даже непроводящей подложки. В совокупности с достаточно большой удельной мощностью, выделяемой в разряде, это приводит к быстрому и равномерному прогреву изделия (для стекла, например, эта температура составляет 0,6 0,8 от температуры размягчения стекла), с одновременной ионной очисткой и активацией поверхности изделия, обеспечивающей хорошую адгезию как на металлических, так и диэлектрических поверхностях без дополнительных нагревателей и ионных источников. Стадия прогрева и ионной активации поверхности изделия продолжается небольшой период времени и зависит от материала и размеров изделия. При этом, напряжение на мишени поддерживается равным нулю или подается небольшое отрицательное смещение.

На стадии нанесения покрытия, на мишень подается отрицательное смещение от второго источника регулируемого напряжения в несколько сотен вольт. При этом мишень распыляется, а ее форма обеспечивает одинаковую со всех сторон скорость осаждения пленки на изделие.

Для получения металлических покрытий мишень-электрод источника напыляемого материала должна быть выполнена из соответствующего металла.

Для получения покрытий из соединений металлов, в устройстве предусмотрено использование источников реакционных газов, которые соединены с камерой, установленными в нижнем ее фланце трубками напуска реакционных газов 14. Нежелательно использование активных газов, разрушающих термоэмиссионный катод, таких, как кислород.

Рассмотрим пример получения покрытия из нитрида титана.

Для этого мишень-электрод источника напыляемого материала выполняется из титана. В камеру через трубку напуска реакционного газа 13 (в этом случае в конструкции устройства предусматривается одна трубка), напускают азот до необходимого парциального давления и осуществляют напыление пленки нитрида реактивным ионно-плазменным напылением. Использование в качестве реакционного газа азота, как показали испытания, не уменьшают срок службы накального катода, по сравнению с напылением, например, пленки чистого титана в атмосфере аргона.

Благодаря низкому рабочему давлению разряда поверхность пленки равномерно активируется вторичными электронами с мишени, достигающими поверхности изделия. Это обеспечивает высокую степень диссоциации молекул азота, и, следовательно, высокую скорость реакции образования нитрида при малом давлении газа. Высокая скорость реакции в сочетании с непрерывной ионной бомбардировкой растущего слоя приводит к образованию плотной мелкозернистой пленки нитридат титана со структурой отличной от столбчатой, обладающей высокой плотностью и коррозионной стойкостью.

Изменяя парциальное давление азота и потенциал мишени можно получать различные оттенки пленки от серебристого чистый титан и золотистого стехиометрического соединения с максимальной твердостью до красного и синего с избытком азота в пленке.

Наличие экрана-заслонки 15, расположенному между термоэмиссионных катодом и держателем покрываемых изделий, устраняет неравномерность концентрации ионов в области между катодом и анодом и исключает нежелательные неоднородности в оттенке покрытий в нижней части изделия на участках обращенных к катоду, связанные с активацией этих участков изделий термоэлектронами и увеличении концентрации азота на этих участках.

Формула изобретения

1. Устройство для получения защитно-декоративных покрытий в вакууме ионно-плазменным напылением, содержащее вакуумную камеру, размещенную внутри нее мишень источника напыляемого материала и анод, соединенные с индивидуальными источниками регулируемого постоянного напряжения, термоэмиссионный катод, соединенный с источником регулируемого напряжения, держатель покрываемых изделий и источник рабочего газа, соединенный с рабочим объемом вакуумной камеры, отличающееся тем, что оно снабжено экраном-заслонкой, а мишень выполнена в виде верхнего и нижнего кругообразных элементов, выполненных по меньшей мере с одним центральным отверстием и установленных параллельно друг другу, и цилиндрического каркаса с верхним и нижним основаниями, размещенного между кругообразными элементами соосно с последними, анод выполнен в виде по меньшей мере одного кольца, установленного соосно каркасу, кругообразные элементы и кольцо размещены в плоскостях, параллельных основанию вакуумной камеры, кольцо установлено в плоскости, расположенной между верхним кругообразным элементом и плоскостью верхнего основания каркаса, термоэмиссионный катод установлен с расположением его нити накала в плоскости, находящейся между нижним кругообразным элементом и плоскостью нижнего основания каркаса, экран-заслонка установлен между термоэмиссионным катодом и держателем покрываемых изделий.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено по крайней мере одним источником реакционных газов, соединенным с рабочим объемом вакуумной камеры.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анод выполнен в виде электрически соединенной пары колец, одно из которых размещено соосно каркасу мишени источника напыляемого материала в плоскости, параллельной нижнему основанию вакуумной камеры и расположенной между нижним кругообразным элементом и плоскостью нижнего основания каркаса.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мишень выполнена из титана.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что термоэмиссионный катод выполнен в виде проволочной вольфрамовой спирали.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что держатель покрываемых изделий выполнен в виде металлической проволочной петли, размещенной в центральной части рабочего объема вакуумной камеры и закрепленной на верхнем основании вакуумной камеры при помощи изолятора.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вакуумная камера выполнена с размещенными в нижнем основании трубками напуска рабочего и реакционных газов, соединенными с внутренним объемом камеры выходами, причем одна из трубок соединена с источником рабочего газа, а остальные трубки с источниками реакционных газов.

РИСУНКИ

Рисунок 1