Устройство для нанесения мультислойных вакуумно-плазменных покрытий

 

Сущность изобретения заключается в том, что мультислойные вакуумно-плазменные покрытия формируют с помощью устройства, в котором в вакуумной камере 1 между катодом 4 и анодом 5 посредством поджигающего электрода 6 возбуждается дуга, горящая в парах материала катода 4. При поджигании двух, трех и более испарителей и включении планетарного механизма вращения 7 на укрепленное на подложкодержателе 2 изделие наносят мультислойное покрытие. При попадании изделия в поток первого электродугового испарителя наносится покрытие из того материала, который генерируется данным испарителем. Плазменный поток, образованный в зоне других испарителей, экранируется пластинами экрана 8. При применении двух электродуговых испарителей с помощью экрана 8 можно получать покрытия, состоящие из чередующихся нанослоев с толщиной каждого слоя 0,5-1,0, Онм различного фазового состава. 2 ил.

Изобретение относится к технологии нанесения вакуумно-поазменных покрытий и может использоваться в микроэлектронике, машиностроении.

Известен электродуговой испаритель, содержащий соосно размещенные расходуемый катод, анод, электромагнитную катушку, источник ионизированного газа, подложкодержатель и источник электропитания [1] Недостатком данного испарителя является невозможность получения однородных по фазовому составу чередующихся нанослоев, образующих мультислойное покрытие с множеством межфазных границ. Отсутствие межфазных границ, которые препятствуют распространению трещин и являются одним из источников релаксации микродеформаций, снижает физико-механические свойства получаемых многокомпонентных покрытий.

Известна установка для нанесения вакуумно-плазменных покрытий, состоящая из катода испарителя металлов, размещенного в корпусе вакуум-камеры из немагнитного материала (анода), снаружи которого расположен соленоид и поджигающий электрод, а также подложкодержателя для обрабатываемого материала [2] Недостатком данной установки для нанесения вакуумно-плазменных покрытий являются ограниченные возможности, позволяющие наносить многокомпонентные однослойные покрытия. Кроме того, получаемые покрытия не обладают более высокими физико-механическими свойствами по сравнению с мультислойными покрытиями, в которых происходит релаксация микродеформаций за счет межфазных границ и затормаживание роста трещин.

Наиболее близким аналогом описываемого изобретения является устройство для нанесения вакуумно-плазменных покрытий, содержащее вакуумную камеру с установленным в ней программно-вращающимся узлом, систему подложкодержателей, испарители, систему катодов и экранов [3] Сущность описываемого изобретения состоит в том, что устройство для нанесения мультислойных вакуумно-плазменных покрытий содержит вакуумную камеру с установленными в ней программно-вращающимся узлом, подложкодержателями, испарителями, имеющими систему катодов и экраны, причем программно-вращающийся узел выполнен в виде планетарного механизма вращения с осью, экраны выполнены в виде набора пластин, закреплены на оси, подложкодержатели и экраны жестко установлены на планетарном механизме с возможностью вращения вокруг оси, подложкодержатели размещены на уровне испарителей между смежными пластинами экранов, образующими сегмент, и каждый испаритель снабжен анодом и поджигающим электродом.

Экран в описываемом устройстве позволяет разделять экранировать плазменные потоки, создаваемые электродуговыми источниками плазмы -испарителями, каждый из которых генерирует металлическую плазму, которая отличается по фазовому составу ввиду того, что каждый катод, который является источником плазмы, выполнен из различного металла: например, титан-цирконий, титан-хром, титан-алюминий и т.д.

Система экранов в описываемом устройстве для нанесения мультислойных вакуумно-плазменных покрытий позволяет получать многослойные покрытия, состоящие из нанослоев толщиной от 0,5-30 нм, причем каждый слой имеет однородный химический состав, отличающийся от состава смежного слоя, что способствует образованию множества межфазных границ (до пяти тыс. шт) благодаря тому, что при вращении планетарного механизма экран позволяет экранировать, отделять плазменные потоки, генерируемые электродуговыми источниками плазмы испарителями, а каждый испаритель генерирует свой плазменный поток, отличающийся один от другого по фазовому составу ионной компоненте.

Получаемые мультислойные покрытия имеют заданную структуру и высокие физико-механические свойства. Предлагаемое устройство отличается простотой конструкции и позволяет получать состоящее из однородных по фазовому составу чередующихся нанослоев вакуумно-плазменное покрытие толщиной 3-7 мкм.

На фиг. 1 представлено заявляемое устройство, вид сверху; на фиг.2 вид сбоку.

Устройство для нанесения мультислойных покрытий в вакууме содержит вакуумную камеру 1 с системой подложкодержателей 2 с двумя, тремя и более испарителями 3, каждый из которых состоит из катода 4, выполненного из электропроводящего металла различного по фазовому составу, анода 5, поджигающего электрода 6 и планетарного механизма 7 вращения изделий вокруг оси механизма. Внутри камеры 1 на каждом установлена система экранов 8, выполненная в виде набора радиальных металлических пластин, закрепленных на оси планетарного механизма.

Системой экранов 8 образуются двенадцать секций в виде сегментов для увеличения скорости напыления мультислойных покрытий. Угол между смежными пластинами системы экранов 8 составляет 30^o, а высота экранов 3000 мм при длине стороны 200 мм. Данная конструкция устройства позволяет напылять мультислойные покрытия с толщиной каждого нанослоя однородного по фазовому составу примерно 5-10 нанометров.

Устройство работает следующим образом.

В вакуумной камере 1 между каждым катодом 4 и анодом 5 посредством поджигающего электрода 6 возбуждается вакуумная дуга, горящая в парах материала катода 4. При поджиге двух, трех и более испарителей и включении планетарного механизма вращения 7 на укрепленное на каждом подложкодержателе 2 изделие (подложку) поочередно наносится мультислойное покрытие. Нанесение покрытий происходит следующим образом. При попадании изделия в плазменный поток первого электродугового испарителя будет наноситься покрытие из того материала, который генерируется данным испарителем, поскольку плазменный поток, образованный другими испарителями, будет экранироваться пластинами экрана 8 описываемого устройства. После поворота на угол тридцать и более градусов на изделие в подложкодержателе не будет наноситься покрытие, если оно не попало в зону плазменного потока, образованного вторым испарителем. В случае попадания изделия в зону плазменного потока на него будет осаждаться покрытие того материала (металла и химического соединения), которое будет генерироваться вторым испарителем.

После прохождения второго испарителя подложкодержатель 2 совершает очередной поворот, изделие попадает в зону третьего испарителя и процесс осаждения повторяется. При применении двух электродуговых испарителей с помощью системы экранов 8 можно получать мультислойные покрытия, состоящие из чередующихся нанослоев с толщиной каждого слоя 0,5-1,0 нм различного фазового состава, который будет повторяться через каждый слой. При использовании трех видов электродуговых источников плазмы получаются мультислойные покрытия, которые состоят из трех различных чередующихся составов.

С помощью разработанного устройства получают различные мультислойные покрытия типа TiC-TiN, TiC-CrC, TiC-ZrC, TiN-CrN, TiN-AlN, TiN-ZrN с различным количеством слоев, начиная от 6 до 5000 при общей толщине слоя 3-7 мкм. В качестве материалов для катодов могут быть использованы титан, цирконий, алюминий, хром.

Распыление материалов проводят при токе дуги 100 А. Полученные мультислойные покрытия обладают высокими физико-механическими свойствами, при этом нанослои отличаются однородностью фазового состава. С увеличением количества слоев возрастает микротвердость покрытий до HV(1,0) 4000-4500 при толщине нанослоев до 1,0-2,5 нанометров.

Формула изобретения

Устройство для нанесения мультислойных вакуумно-плазменных покрытий, содержащее вакуумную камеру с установленными в ней программно-вращающимся узлом, подложкодержателями, испарителями, имеющими систему катодов, и экранами, отличающееся тем, что программно-вращающийся узел выполнен в виде планетарного механизма вращения с осью, экраны выполнены в виде набора радиальных пластин, закрепленных на оси, экраны и подложкодержатели жестко установлены на планетарном механизме с возможностью вращения вокруг оси, причем подложкодержатели размещены на уровне испарителей между смежными пластинами экранов, образующими сегмент, и каждый испаритель снабжен анодом и поджигающим электродом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2