Устройство для синтеза и осаждения покрытий
Владельцы патента RU 2620845:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") (RU)
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам для синтеза и осаждения износостойких покрытий на изделиях в вакуумной камере. Устройство содержит вакуумную камеру, планарный магнетрон с плоской мишенью и источник питания разряда, соединенный положительным полюсом с вакуумной камерой и отрицательным полюсом с мишенью. На камере установлен и электрически соединен с ней полый корпус. Планарный магнетрон установлен на дне корпуса. На стенках корпуса вблизи поверхности мишени выполнены каналы подачи в него инертного газа, а на стенках камеры - каналы подачи в нее реактивного газа. Техническим результатом изобретения является повышение производительности устройства за счет повышения скорости осаждения покрытий. 1 ил.
Изобретение относится к устройствам для синтеза и осаждения покрытий на изделиях в вакуумной камере.
Известно устройство для осаждения покрытий, в котором металлическая мишень испаряется в камере катодными пятнами вакуумной дуги и ее материал осаждается на изделиях (Патент США №526147, 1894 г.).
Недостатком устройства являются образующиеся при испарении микрокапли металла, осаждающиеся на изделиях вместе с покрытием. Капли обусловлены преобладанием на очищенной дугой поверхности мишени катодных пятен второго рода, перемещающихся со скоростью 0,1-1 м/с и эмитирующих множество капель размером до 5 мкм. Пятна первого рода, перемещающиеся со скоростью 10-100 м/с и эмитирующие малое число капель значительно меньшего размера, существуют лишь в первые минуты работы устройства на неочищенной от оксидных, нитридных и прочих пленок на поверхности мишени.
Известно устройство для осаждения покрытий, в котором реактивный газ, например азот, подается в камеру через отверстие в мишени, испаряемой катодными пятнами дуги (Заявка на европейский патент №97850056.9, 1997 г.). Давление вблизи поверхности мишени на порядок превышает давление вблизи изделий, что позволяет быстро восстанавливать и поддерживать на ней пленку, например нитридную. Это обеспечивает преобладание быстроперемещающихся катодных пятен первого рода, эмитирующих значительно меньшее число капель металла меньшего размера.
Наиболее близким решением по технической сущности к изобретению является устройство для синтеза покрытий, содержащее планарный магнетрон, в котором плоская мишень из необходимого металла распыляется ионами аргона из плазмы тлеющего разряда в арочном магнитном поле вблизи поверхности мишени, являющейся катодом разряда, вакуумную камеру, являющуюся анодом разряда, источник питания разряда и устройство подачи в камеру рабочего газа (Патент США №3878085, 1975 г.). При бомбардировке мишени ионами аргона она эмитирует электроны, которые ускоряются в слое объемного заряда между плазмой и мишенью до энергии eU, где U - падение потенциала между плазмой и мишенью. 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 криволинейной траектории вблизи поверхности мишени путь, превышающий ее размеры в сотни и тысячи раз. Это позволяет поддерживать тлеющий разряд при давлении газа 0,1-1 Па обеспечивающим транспортировку распыленных атомов, например, титана до изделий.
При подаче в камеру смеси аргона (70-80%) и реактивного газа, например азота (20-30%) на поверхности изделий синтезируется твердое износостойкое покрытие, например нитрид титана. В отличие от устройств с испарением мишени катодными пятнами вакуумной дуги при распылении мишени ионами микрокапли металла не образуются. Для получения смеси газов и поддержания ее давления и состава используются регуляторы расхода газа.
Основным недостатком устройства является снижение при добавлении к аргону азота скорости осаждения покрытий из нитрида титана в несколько раз по сравнению со скоростью осаждения покрытий из титана при равном токе ионов в цепи распыляемой мишени. При уменьшении содержания азота в смеси с аргоном до 15% и ниже скорость осаждения покрытия снова возрастает в несколько раз. Однако в этом случае осаждается не твердое покрытие из нитрида титана, а покрытие из титана с меньшей в 10 раз микротвердостью.
Причиной снижения скорости осаждения является образование нитридного покрытия на самой мишени. Известно, что скорость ионного распыления металлов на порядок превышает скорость распыления их химических соединений. Если в устройствах с испарением мишени катодными пятнами дуги нитридная пленка на ее поверхности играет положительную роль, снижая число и размер микрокапель металла в синтезируемых покрытиях, то в устройствах с распылением мишени ионами она играет отрицательную роль, снижая скорость осаждения покрытий.
Задачей предложенного технического решения является создание устройства для синтеза покрытий с более высокой скоростью их осаждения.
Технический результат - повышение производительности устройства.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что устройство для синтеза покрытий, содержащее вакуумную камеру, планарный магнетрон с плоской мишенью и источник питания разряда, соединенный положительным полюсом с вакуумной камерой и отрицательным полюсом с мишенью, дополнительно содержит установленный на камере и электрически соединенный с ней полый корпус, планарный магнетрон установлен на дне корпуса, на стенках корпуса вблизи поверхности мишени имеются каналы подачи в него инертного газа, а на стенках камеры имеются каналы подачи в нее реактивного газа.
Изобретение поясняется чертежом, где изображена схема устройства для синтеза покрытий.
Устройство содержит вакуумную камеру 1, планарный магнетрон с плоской мишенью 2 и магнитной системой 3, создающей у поверхности мишени поле с арочной конфигурацией силовых линий 4, источник питания разряда 5, соединенный положительным полюсом с вакуумной камерой 1 и отрицательным полюсом с мишенью 2, установленный на камере 1 и соединенный с ней электрически полый корпус 6, на стенках корпуса вблизи поверхности мишени 2 имеются каналы 7 подачи в него инертного газа, а на стенках камеры 1 имеются каналы 8 подачи в нее реактивного газа.
Устройство работает следующим образом.
Вакуумную камеру 1 с обрабатываемым изделием 9 внутри нее откачивают через патрубок 10 до давления 1 мПа, затем через каналы 7 подают в корпус 6 и камеру 1 инертный газ, например аргон, и увеличивают давление в камере 1 до 0,5-1 Па. Включением источника питания 5 подают напряжение U до 500 В между камерой 1, являющейся анодом разряда, и мишенью 2. В результате зажигается тлеющий разряд, и полый корпус 6 и камера 1 заполняются плазмой 11, отделенной от поверхности мишени 2 слоем объемного заряда 12. Концентрация плазмы 11 максимальна вблизи поверхности мишени 2 и монотонно снижается с увеличением расстояния от нее.
Ионы 13 из плазмы 11 ускоряются в слое 12 и с энергией в сотни эВ бомбардируют и распыляют мишень 2. Образующиеся в результате ее распыления атомы металла 14, например титана, вылетают из корпуса 6 в вакуумную камеру 1 и осаждаются на изделии 9. Как проведенные опыты, так и компьютерное моделирование работы заявленного устройства показали, что при подаче через каналы 8 в камеру 1 реактивного газа, например азота, параметры образующейся у поверхности изделия 9 азотно-аргоновой плазмы становятся такими же, как при подаче в камеру смеси с содержанием азота 20-30%, и на изделии синтезируется покрытие из нитрида титана. В то же время содержание азота вблизи поверхности мишени, куда он диффундирует против потока аргона, движущегося от мишени в камеру, на порядок ниже. Азотно-аргоновая плазма у поверхности мишени в этом случае такая же, как при подаче в камеру смеси с содержанием азота менее 15%, когда нитридные пленки не снижают скорость распыления мишени, и скорость осаждения на изделии покрытия из нитрида титана возрастает до величины, равной скорости осаждения покрытия из титана.
Использование полого корпуса, установка магнетрона на дне корпуса, каналы для подачи в корпус вблизи поверхности мишени магнетрона инертного газа, например аргона, и каналы для подачи в вакуумную камеру реактивного газа, например азота, обеспечивают снижение содержания азота в смеси с аргоном у поверхности мишени до величины, при которой нитридная пленка на поверхности не снижает скорость распыления ее материала, например титана. Содержание азота у поверхности изделия превышает при этом 20%, что обеспечивает синтез на его поверхности покрытия из нитрида титана.
В силу изложенного, по сравнению с прототипом предлагаемое устройство для синтеза покрытий обеспечивает более высокую скорость осаждения покрытий из химических соединений металлов.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности не известной 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 покрытий на изделиях;
- 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.
Устройство для осаждения покрытий, содержащее вакуумную камеру, планарный магнетрон с плоской мишенью и источник питания разряда, соединенный положительным полюсом с вакуумной камерой и отрицательным полюсом с мишенью, отличающееся тем, что оно снабжено установленным на камере и электрически соединенным с ней полым корпусом, при этом планарный магнетрон установлен на дне корпуса, в стенках которого вблизи поверхности мишени выполнены каналы для подачи в него инертного газа, а в стенках камеры выполнены каналы для подачи в нее реактивного газа.
