Устройство для формирования поверхностных слоев на изделиях методом обработки в плазме газового разряда

 

Изобретение относится к ионно-плазменным технологиям создания защитных, оптических декоративных и иных слоев на поверхности изделий из металла, стекла, керамики. Оно может быть использовано при изготовлении гелиопоглощающих устройств, медицинских, промышленных, бытовых и т.п. изделий и устройств. Техническим результатом данного изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, создание условий для реализации в одном устройстве различных типов ионно-плазменной обработки, эффективное использование материала покрытия, повышение экономичности устройства, возможность обработки большого числа длинномерных изделий, длина которых примерно совпадает с длиной занятой плазмой области. Устройство содержит вакуумную камеру, источники рабочего и реакционного газов, круговые пластины, установленные в ней соосно друг с другом и электрически изолированные, источник напыляемого материала в виде цилиндрической мишени, установленной между пластинами соосно с ними, термоэмиссионный катод, выполненный составным из нескольких модулей, закрепленных по окружности на пластинах, кольцевой анод, установленный между пластинами, держатель изделий, выполненный в виде двух электрически изолированных колец, каждое из которых прикреплено к одной из круговых пластин соосно с ними. По окружности колец расположены узлы фиксации изделий, к которым по образующей цилиндра крепят изделия для обработки. В устройстве можно проводить напыление одно- или многоэлементных покрытий из материала мишени и его соединений, напыление, асистированное ионной или электронной бомбардировкой, распыление поверхности изделий с активизацией поверхности напыляемыми атомами мишени. Для равномерной обработки изделия в процессе работы поворачиваются вокруг своей оси специальным механизмом вращения. 9 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области создания защитных, оптических, декоративных и иных слоев на поверхностях изделий из металла, стекла и керамики и может быть использовано при изготовлении гелиопоглощающих коллекторов, а также при изготовлении медицинских, промышленных, бытовых и т.п. изделий и устройств.

Известно устройство для формирования поверхностных слоев на изделиях методом обработки в плазме газового разряда [1]. Оно содержит вакуумную камеру, установленные в ней анод и источник напыляемого материала, выполненный в виде твердой распыляемой мишени, соединенные с индивидуальными источниками регулируемого постоянного напряжения. Над уровнем расположения катода, анода и распыляемой мишени в вакуумной камере на горизонтальной оси соосно друг с другом расположены две круговые пластины. К пластинам прикреплены держатели изделий. С помощью держателей напыляемые изделия укрепляются между пластинами. Специальный механизм обеспечивает вращение изделий во время напыления для получения равномерного покрытия. Отрицательный потенциал подается на держатели изделий от источника постоянного напряжения. Это обеспечивает бомбардировку поверхности изделий ионами во время напыления, что в свою очередь приводит к уменьшению концентрации дефектов и улучшению структуры создаваемого покрытия. К недостаткам известного устройства относится низкая эффективность использования распыляемого материала. Большая часть материала оседает на стенки рабочей камеры и не попадает на покрываемые изделия. В результате скорость напыления оказывается малой, процесс напыления затягивается и экономичность устройства падает. Кроме того, из-за низкой скорости напыления ухудшается качество покрытия, поскольку в нем увеличивается относительное содержание атомов остаточного газа. На качестве покрытия отрицательно сказывается также и то обстоятельство, что устройство не позволяет варьировать температуру напыляемой поверхности и устанавливать ее оптимальной для напыления данного покрытия. Наконец, в устройстве не предусмотрен напуск в рабочую камеру реакционных газов. Поэтому с его помощью невозможно получить покрытия из различных соединений.

Техническим результатом данного изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, создание условий для реализации в одном устройстве различных типов ионно-плазменной обработки, эффективное использование материала покрытия, увеличение скорости напыления, повышение экономичности устройства, улучшение качества покрытия, возможность напыления покрытий из различных соединений.

Технический результат достигается тем, что устройство для формирования поверхностных слоев на изделиях методом обработки в плазме газового разряда, содержащее вакуумную камеру, установленные в ней анод и источник напыляемого материала, выполненный в виде твердой распыляемой мишени, соединенные с индивидуальными источниками регулируемого постоянного напряжения, круговые пластины, расположенные соосно друг с другом, держатели изделий, установленные на пластинах, источник постоянного напряжения для держателей изделий, источник рабочего плазмообразующего газа, соединенный с рабочим объемом вакуумной камеры, снабжено источником реакционных газов, термоэмиссионный катод соединен с источником постоянного напряжения, мишень выполнена цилиндрической и укреплена между круговыми пластинами вдоль их оси, круговые пластины электрически изолированы, держатели выполнены в виде двух электрически изолированных колец, каждое из которых прикреплено к соответствующей круговой пластине соосно с ней, а по окружности колец расположены узлы фиксации для цилиндрических изделий таким образом, чтобы они совместно с круговыми пластинами и изделиями формировали цилиндрическую зону зажигания разряда, анод выполнен кольцевым и установлен между круговыми пластинами соосно с ним, диаметры круговых пластин и кольцевого анода больше диаметра мишени и меньше диаметра цилиндрической зоны зажигания разряда, термоэмиссионный катод выполнен составным из нескольких модулей, каждый из которых закреплен на круговых пластинах с расположением нитей накала в пространстве между ними по окружности с диаметром, большим диаметра мишени и меньшим диаметра цилиндрической зоны зажигания разряда, при этом механизм вращения выполнен с возможностью контакта с узлами фиксации изделий для обеспечения вращения вокруг своей оси изделий, закрепленных в узлах фиксации, во время работы. Кроме того, цилиндрическая мишень сформирована из одного или нескольких металлов или металлических сплавов.

Для того чтобы концентрация плазмы была одинаковой во всем промежутке между анодом и катодом, кольцевой анод делается наборным и его элементы приближены к катодам. Возможно также закрепление на кольцевом аноде стержней перпендикулярно его плоскости. Для зажигания разряда при меньшем напряжении между анодом и катодом и для поддержания разряда при меньшем давлении рабочего газа устройство снабжают промежуточными анодами, расположенным вблизи нитей накала катода и соединенными с индивидуальным источником постоянного регулируемого напряжения. Для предотвращения контакта плазмы, проникающей во время работы устройства за пределы области разряда, с вакуумной камерой и уменьшения нагрева последней плазмой и ее излучением, круговые пластины делают диаметром, близким диаметру цилиндрической зоны зажигания разряда. С этой целью между обрабатываемыми изделиями и стенкой вакуумной камеры устанавливают цилиндрический экран в виде одного или двух соосных металлических кожухов и, кроме того, между напыляемыми изделиями и экраном устанавливают экранные кольца, плотно примыкающие к нему.

Узлы фиксации изделий выполнены в виде укрепленных на кольцах держателей подшипниковых узлов с установленными в них осями, для закрепления изделий, а на концах осей одного из колец держателя, противоположных концам осей для закрепления изделий, установлены крыльчатки.

Механизм вращения изделий может содержать расположенный в вакуумной камере электромагнитный или магнитный привод с осью вращения и передающий элемент, выполненный в виде стержня, один конец которого закреплен на оси вращения привода, а другой установлен с возможностью поочередного контактирования с крыльчатками во время работы устройства. Кроме того, механизм вращения может быть выполнен в виде механического, электромагнитного или магнитного приводов, размещенных вне вакуумной камеры и вакуумного ввода, для передачи вращения в вакуумную камеру.

С целью подогрева в процессе обработки полых цилиндрических изделий узлы фиксации изделий, расположенные на кольце держателя, противоположном кольцу с крыльчатками, выполнены в виде цилиндрических нагревателей.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства для формирования поверхностных слоев на изделиях методом обработки в плазме газового разряда, разрез; на фиг.2 - сечение по A-A на фиг.1.

Устройство содержит вакуумную камеру 1, круговые пластины 2, установленные в ней соосно друг с другом и электрически изолированные, цилиндрическую мишень 3, установленную между пластинами 2 по их оси, кольцевой анод 4, расположенный между пластинами 2 соосно с ними, термоэмиссионный катод 5, выполненный составным из нескольких модулей, закрепленных по окружности на пластинах 2, с расположением нитей накала 6 в пространстве между пластинами, держатель изделий, выполненный в виде двух электрически изолированных колец 7 и 8, каждое из которых прикреплено к одной из круговых пластин соосно с ними. По окружности колец 7 и 8 расположены узлы фиксации изделий, состоящие из подшипниковых узлов 9 с проходящими внутри них осями 10. На концах осей 10, обращенных друг к другу, укрепляются изделия 11 для обработки. Другие концы осей 10, расположенных на кольце 7, снабжены крыльчатками 12. Диаметр кольцевого анода и диаметр окружности, по которой расположены модули термоэмиссионного катода, больше диаметра кольцевой мишени и меньше диаметра окружности, определяемой поверхностями обрабатываемых изделий. Вакуумная камера 1 имеет вводы 13, через которые поступает рабочий и реакционный газы. Цилиндрическая мишень 3, кольцевой анод 4 и модули 5 термоэмиссионного катода соединены с индивидуальными источниками регулируемого постоянного напряжения (не показаны).

Механизм вращения изделий в устройстве выполнен в виде электромагнитного или магнитного привода 14 с осью вращения 15 и передающего элемента в виде стержня 16, один конец которого закреплен на оси вращения 15, а другой поочередно контактирует во время работы устройства с крыльчатками 12. При этом привод находится внутри вакуумной камеры 1 или вне ее. В последнем случае вакуумная камера имеет вакуумный ввод 17, с помощью которого вращение подается в вакуумную камеру.

Цилиндрическая мишень 3 может быть сформирована из одного или нескольких металлов, таких например, как медь, железо, титан, алюминий, серебро или таких сплавов, как медь-никель, алюминий-магний, железо-хром-никель.

Кольцевой анод делается наборным с приближением его элементов (не показаны) к модулям катода или на кольцевом аноде перпендикулярно его плоскости закрепляют стержни 18. С этой же целью, а также для зажигания разряда при меньшем напряжении между анодом и катодом устройство снабжают промежуточными анодами 19 в виде металлических колец, установленных вблизи катодных модулей соосно с пластинами 2.

Цилиндрический экран 20 в виде одного или двух соосных металлических кожухов устанавливается между обрабатываемыми изделиями 11 и вакуумной камерой 1, для уменьшения нагрева последней во время работы устройства плазмой и ее излучением. С этой же целью между обрабатываемыми изделиями 11 и экраном 20 устанавливают экранные кольца 21, плотно примыкающие к нему.

На кольце 8 держателя укреплены цилиндрические нагреватели 22, на которые надевают изделия 11 с возможностью свободного поворачивания каждого изделия вокруг нагревателя во время работы устройства.

Устройство работает следующим образом. В вакуумную камеру 1 устанавливают мишень и обрабатываемые изделия. Вакуумную камеру откачивают до давления 10^-3 Па и в нее через вводы 13 напускают рабочий плазмообразующий газ - аргон и при необходимости реакционные газы, например азот N₂, метан CH₄. Затем накаливают вольфрамовые нити накала 6 модулей 5 термоэмиссионного катода и подают соответствующие потенциалы: 50 В на катод, +200В на промежуточный анод 19, +350 В на анод 4. В пространстве, ограниченном мишенью 3, обрабатываемыми изделиями 11 и круговыми пластинами 2, загорается газовый разряд.

В первый период горения разряда изделия находятся под плавающим потенциалом. Они нагреваются до 200-250^oC и происходит очистка и обезгаживание их поверхности благодаря электромагнитному излучению плазмы и потокам ионов и электронов плазмы, приходящих на их поверхность. Затем на мишень подается отрицательный потенциал -600-1000 В. Ионы плазмы начинают распылять материал мишени. Распыленные частицы достигают поверхность изделий и формируют покрытие.

Если мишень сделана составной из нескольких металлов или их сплавов, то на поверхности изделий можно получить покрытие из металлических сплавов, в том числе таких, которые невозможно создать методами металлургии, например сплавы медь-железо, алюминий-золото.

Если на поверхность изделий подается отрицательный потенциал - 100^oC1000В, то происходит ее бомбардировка ионами плазмы, которая может осуществляться в отсутствии напыления или совместно с напылением распыляемого с мишени материала. При этом изменяется состав и физико- механические свойства поверхности и повышается адгезия покрытия, увеличивается ее плотность, уменьшается пористость, уменьшается величина кристаллических зерен покрытия. Например, при бомбардировке стальных изделий ионами азота, напускаемого в устройство в качестве реакционного газа, удается повысить поверхностную твердость изделий. При бомбардировке поверхности медного изделия ионами аргона и одновременном осаждении на поверхность атомов никеля, хрома или железа удавалось получить поверхность с развитым рельефом. Такие поверхности обладают селективными оптическими свойствами и повышенными автоэмиссионными свойствами.

Если изделие находится под плавающим потенциалом, то его поверхность подвергается облучению ионами и электронами плазмы. В этом режиме покрытие с высокой адгезией наносится не только на металлические, но и на диэлектрические поверхности: стекло, керамику.

Для равномерной обработки поверхности изделия в процессе работы устройства поворачиваются в узлах крепления при помощи механизма вращения.

Если обработке подвергаются полые изделия из высокотемпературных материалов: кварц, керамика, тугоплавкие металлы для создания высококачественного покрытия или развития рельефа ионной бомбардировкой, изделие во время обработки дополнительно нагревают.

Введение в устройство источника реакционных газов позволяет получать на изделиях слои окислов, нитридов, карбидов и т.п. Это значительно расширяет функциональные возможности устройства.

Расположение анода и катода, а соответственно и зоны горения разряда внутри цилиндрической области, ограниченной напыляемыми изделиями, и фиксация распыляемой мишени в ее центре позволяет в максимальной степени использовать распыляемые с мишени потоки частиц, сократить длительность процесса напыления и в конечном счете повысить экономичность устройства.

Выполнение катода в виде нескольких модулей, закрепленных на круговых пластинах на периферии зоны горения разряда и использование наборного кольцевого анода с приближением его элементов к модулям катода, позволяет улучшить условия горения и получить более равномерный разряд. С этой же целью на кольцевом аноде перпендикулярно его плоскости закрепляют стержни.

Применение источника постоянного напряжения для эмиссионного катода обеспечивает постоянный потенциал на катоде. Поэтому оказываются постоянными потенциал плазмы и энергия ионов плазмы, бомбардирующих мишень и напыляемую поверхность. Это позволяет ускорить процесс распыления и формирования покрытия и улучшить качество покрытия.

Целый ряд положительных эффектов достигается благодаря эффективному ограничению области разряда совокупностью элементов устройства, таких как круговые пластины, экранные кольца, держатели, узлы фиксации, экран. Их использование позволяет повысить газовую экономичность устройства, уменьшить мощность источников питания катода и анода, необходимую для создания плазмы нужных параметров, исключить взаимодействие плазмы с вакуумной камерой, предотвратить ее загрязнение продуктами распыления стенки и, наконец, уменьшить нагрев стенки плазмой, соответственно снизить требования к ее охлаждению.

Электрическая изоляция ограничивающих область разряда и контактирующих с плазмой элементов установки, таких как круговые пластины, держатели, узлы фиксации замедляет уход ионов из плазмы, предотвращает их распыление и способствует повышению потенциала плазмы. В результате ускоряется распыление мишени, а покрытие оказывается более чистым.

В тех случаях, когда необходимо обработать сравнительно короткие изделия или часть длинномерных изделий, выбирают мишень меньших размеров и круговые пластины сближают на соответствующее расстояние. В результате плазма формируется в меньшем объеме, повышается ее плотность, скорость распыления, возрастает экономичность устройства.

Формула изобретения

1. Устройство для формировании поверхностных слоев на изделиях методом обработки в плазме газового разряда, содержащее вакуумную камеру, установленные в ней анод и источник напыляемого материала, выполненный в виде твердой распыляемой мишени, соединенные с индивидуальными источниками регулируемого постоянного напряжения, круговые пластины, расположенные соосно одна другой, держатели изделий, установленные на пластинах, источник постоянного напряжения для держателей изделий, механизм вращения изделий, источник рабочего плазмообразующего газа, соединенный с рабочим объемом вакуумной камеры, отличающееся тем, что оно снабжено источником реакционных газов, термоэмиссионный катод соединен с источником постоянного напряжения, мишень выполнена цилиндрической и укреплена между круговыми пластинами вдоль их оси, круговые пластины электрически изолированы, держатели выполнены в виде двух электрически изолированных колец, каждое из которых прикреплено к соответствующей круговой пластине соосно с ней, а по окружности колец расположены узлы фиксации для цилиндрических изделий таким образом, чтобы они совместно с круговыми пластинами и изделиями формировали цилиндрическую зону зажигания разряда, анод выполнен кольцевым и установлен между круговыми пластинами соосно им, диаметры круговых пластин и кольцевого анода больше диаметра мишени и меньше диаметра цилиндрической зоны зажигания разряда, термоэмиссионный катод выполнен составным из нескольких модулей, каждый из которых закреплен на круговых пластинах с расположением нитей накала в пространстве между ними по окружности с диаметром, большим диаметра мишени и меньшим диаметра цилиндрической зоны зажигания разряда, при этом механизм вращения выполнен с возможностью контакта с узлами фиксации изделий.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цилиндрическая мишень сформирована из одного или нескольких металлов или металлического сплава.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кольцевой анод сделан наборным.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на кольцевом аноде перпендикулярно его плоскости закреплены стержни.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство снабжено промежуточными анодами, расположенными вблизи нитей накала катода и соединенными с индивидуальным источником постоянного регулируемого напряжения.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что круговые пластины выполнены с диаметром, близким диаметру цилиндрической зоны зажигания разряда, между обрабатываемыми изделиями и стенкой вакуумной камеры установлен цилиндрический экран в виде одного или двух соосных металлических кожухов, а между изделиями и экраном установлены плотно примыкающие к экрану экранные кольца.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узлы фиксации изделий выполнены в виде укрепленных на кольцах держателей подшипниковых узлов с установленными в них осями для закрепления изделий, при этом на концах осей одного из колец держателя, противоположных концам осей для закрепления изделий, установлены крыльчатки.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что механизм вращения изделий содержит расположенный в вакуумной камере электромагнитный или магнитный привод с осью вращения и передающий элемент, выполненный в виде стержня, один конец которого закреплен на оси вращения привода, а другой установлен с возможностью поочередного контактирования с крыльчатками во время работы устройства.

9. Устройство по любому из пп.1 и 6, отличающееся тем, что механизм вращения содержит механический, электромагнитный или магнитный привод, размещенный вне вакуумной камеры, и вакуумный ввод для передачи вращения в вакуумную камеру.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что узлы фиксации изделий, расположенные на кольце держателя, противоположном кольцу с крыльчатками, выполнены в виде цилиндрических нагревателей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2