Установка для нанесения покрытий

Авторы патента:

Полезная модель относится к области нанесения защитных покрытий на конструкционные элементы установок, работающих в агрессивных средах, и детали машин в атомном, химическом, электронном, общем машиностроении и направлена на повышение качества покрытий. Технический результат достигается тем, что в одной вакуумной камере с откачкой воздуха и подачей азота и инертного газа объединены дуговой испаритель, в состав которого входит катод из одного материала покрытия, и магнетронный распылитель с мишенью из того же материала покрытия, а перед катодом дугового источника установлен выдвижной металлический экран для обеспечения сепарации ионного потока и уменьшения ионного тока в режимах очистки, в том числе в импульсных режимах, обеспечиваемых емкостью, питающей дуговой источник в импульсном режиме. В процессе ионной очистки подложек из химически активных металлов и сплавов обеспечивается снижение ионного потока, позволяющее исключить дефекты, связанные с осаждением кластеров и капель, повреждения паразитными микродугами, подавать на подложку высокое напряжение, необходимое для разрушения ионной бомбардировкой прочных окисных слоев на ее поверхности. При этом на подложке в ходе очистки формируется дуговым методом тонкий переходный слой из материала катода, обладающего лучшими адгезионными свойствами к материалу покрытия, чем материал подложки. В ходе последующего осаждения покрытия на подложку, последнее формируется более однородным за счет использования магнетронного метода, но с высокой адгезией, характерной для дугового способа. Дуговой источник используется в одном из следующих режимов: - включается с закрытым экраном только для очистки; - включается с закрытым экраном для очистки и с закрытым или открытым экраном в ходе напыления - многокомпонентные покрытия, как в прототипе, причем, положение экрана, наряду с остальными параметрами, влияет на величину потока ионов с дугового источника и, соответственно, на элементный состав покрытия.

Известны способы нанесения покрытий на инструменты и детали машин с помощью вакуумно-дуговых методов (конденсация при ионной бомбардировке КИБ) и установки, реализующие эти способы («Булат», «Пуск» и др.), описанные в кн. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К.В.Фролов (пред.) и др. - М.: Машиностроение. Технологии, оборудование и системы управления в электронном машиностроении. T.III - 8 / Ю.В.Панфилов, Л.К.Ковалев, В.А.Блохин и др.; Под общ. Ред. Ю.В.Панфилова. 2000. 744 с., ил.

Недостатком способа и установки для его реализации является наличие капельной фазы в покрытии, что приводит к ухудшению сплошности и коррозионных свойств покрытия.

Известна установка, опубликованная в кн. Сушенцов Н.И., Филимонов В.Е. Основы технологии микроэлектроники: Лабораторный практикум. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. - 156 с. Установка содержит источник питания катода и размещенные в вакуумной камере с подачей и откачкой азота дуговой испаритель, состоящий из катода из испаряемого материала покрытия и стабилизирующей катушки и подложку, на которую наносится покрытие.

Недостатком установки также является наличие капельной фазы в наносимом покрытии.

Наиболее близким техническим решением является установка для нанесения покрытий, содержащая размещенные в вакуумной камере с подачей и откачкой азота дуговой испаритель, состоящий из катода из испаряемого материала покрытия и стабилизирующей катушки, и подложки, на которую наносится покрытие, а также источник питания катода, при этом в вакуумную камеру введен магнетронный распылитель с мишенью из другого материала покрытия и источником питания магнетрона (Заявка №2005121948/22 от 11.07.2005)

Недостатком данного технического решения является то, что при работе с подложками из химически активных конструкционных материалов, например, сплавами циркония, невозможно данным способом обеспечить эффективную очистку подложки от стойких окислов, что приводит к нарушению адгезии и коррозионных свойств покрытий при обеспечении высокой однородности покрытий, характерной для магнетронного напыления.

Сущность предложенного технического решения заключается в том, что в известную совокупность существенных признаков «содержащая размещенные в вакуумной камере с подачей и откачкой азота дуговой испаритель, состоящий из катода из испаряемого материала покрытия и стабилизирующей катушки, подложки, на которую наносится покрытие, а также источник питания катода, при этом в вакуумную камеру введен магнетронный распылитель с мишенью из другого материала покрытия и

источником питания магнетрона» вводятся признаки «перед катодом дугового источника установлен выдвижной металлический экран для обеспечения сепарации ионного потока и уменьшения ионного тока в режимах очистки», а также «система подачи газа снабжена системой подачи инертного газа, а источник питания катода содержит накопительную емкость для реализации импульсного режим работы». Полученная таким образом новая совокупность существенных признаков обуславливает соответствие технического решения критерию «новизна» и

обнаруживает при этом новые свойства, присущие данному решению в отличие от ранее известных:

- наличие экрана обеспечивает малые величины ионного тока, практически исключает капельную составляющую ионного потока при очистке, а также практически исключает вероятность возникновения паразитных микродуг на поверхности подложки при высоких напряжениях на подложке, что обеспечивает возможность подачи на подложку высокого напряжения, достаточного для разрушения прочных окисных пленок бомбардировкой ионами дугового источника;

- наличие системы подачи инертного газа обеспечивает возможность проведения очистки в тлеющем разряде инертного газа перед ионной бомбардировкой, что обеспечивает более эффективную очистку поверхности - переходный слой металла формируется на уже очищенной тлеющим разрядом поверхности химически активного материала подложки;

- наличие емкости для работы в импульсном режиме обеспечивает возможность работы с изделиями, недопускающими перегрева, используя достаточные для очистки поверхности химически активного материала подложки, энергии ионного потока.

На рисунке представлена схема установки для нанесения покрытий.

Основу установки составляет вакуумная камера 1, с откачкой и подачей азота N₂ и инертного газа, внутри которой находятся дуговой испаритель, состоящий из катода 2 из испаряемого материала и стабилизирующей катушки 3, а также магнетронный распылитель 4 с мишенью 5 и источником питания магнетрона 6. Внутри камеры располагается подложка 7, на которую наносится покрытие 8. Перед катодом 2 расположен выдвижной металлический экран 10, имеющий два положения: «открыт» и «закрыт». Вне камеры расположен источник питания катода 9, обеспечивающий дуговой разряд. Источник питания катода 9 снабжен емкостью 11 для обеспечения импульсного режима дугового источника, а также содержит другие вспомогательные устройства, обеспечивающие работу установки (вращение подложки, откачку воздуха и др.) Напряжение на подложку подается источником питания 12.

Работает установка следующим образом. При достижении в рабочей камере необходимого вакуума в камеру 1 подается инертный газ, в промежутке между камерой 1 и подложкой 7 зажигают, при необходимости, тлеющий разряд, после очистки тлеющим разрядом инертный газ откачивают, а в промежутке между катодом 2 и вакуумной камерой 1 за счет источника питания катода 9 получают дуговой разряд, который может реализовываться в стационарном, или, за счет емкости 11, в импульсном режиме. При этом частицы материала катода 2 под влиянием поля стабилизирующей катушки 3 летят в направлении подложки 7, образуя сначала промежуточный слой, а затем основное покрытие 8, в зависимости от напряжения на подложке 7, подаваемого источником 12. При этом экран 10 обеспечивает сепарацию капель и снижение ионного потока на этапе

очистки-формирования промежуточного слоя, обеспечивая возможность подачи высокого напряжения от источника 12 на подложку 7, формируя плотный слой с хорошей адгезией между химически активной подложкой 7 и покрытием 8. При подаче напряжения от источника питания магнетрона 6 на мишень 5 магнетронного распылителя 4, начинается распыление мишени 5, причем ионами, распыляющими мишень 5 могут являться ионы материала катода 2, если дуговой источник продолжает работать, и формируется многокомпонентное покрытие и азота N₂. Распыленный материал мишени 5 также осаждается на подложке 7 через сформированный катодом 2 ранее переходный слой, образуя плотное покрытие 8, причем, так как адгезия переходного слоя к подложке обеспечена высоким напряжением в ходе очистки, а материалы катода 2 и мишени 5 идентичны или обладают хорошей взаимной адгезией, то покрытие получается однородным и с хорошей адгезией к химически активному материалу подложки. В результате на подложке 7 из химически активного металла наносится покрытие с высокой степенью адгезии, сочетающее высокую способность дугового источника к очистке поверхности от окислов и однородное покрытие, обеспечиваемое магнетронным источником.

1. Установка для нанесения покрытий, содержащая размещенные в вакуумной камере с подачей и откачкой азота дуговой испаритель, состоящий из катода из испаряемого материала покрытия и стабилизирующей катушки, подложку, на которую наносится покрытие, источник питания катода, магнетронный распылитель с мишенью и источником питания магнетрона, а также система подачи газа-азота, отличающаяся тем, что перед катодом дугового источника установлен выдвижной металлический экран для обеспечения сепарации ионного потока и уменьшения ионного тока в режимах очистки, причем катод и мишень выполнены из одного материала, например титана.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что система подачи газа снабжена системой подачи инертного газа, а источник питания катода содержит накопительную емкость для реализации импульсного режима работы.