устройство для нанесения покрытий в вакууме

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМЕ, включающее магнетронный распылительный источник, содержащий размещенные в вакуумной камере с отверстием для подачи рабочего газа анод, полый цилиндрический катод-мишень, магнитную систему, установленную на внешней поверхности катода и состоящую по меньшей мере из двух магнитных элементов, коаксиальных катоду, и обрабатываемое изделие, размещенное внутри катода, отличающееся тем, что, с целью расширения технологических возможностей за счет проведения в едином цикле одним источником операций очистки, нанесения и имплантации, оно снабжено источником подачи потенциала на изделие, а катод источника выполнен с кольцевым отверстием и состыкованным с ним полым цилиндрическим, с радиально расположенным относительно оси катода отверстием для подачи рабочего газа, а также снабжено дополнительным электродом, установленным в полости выступа катода, электрически изолированным от него, причем выступ расположен между встречно намагниченными элементами магнитной системы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронной технике, а именно к вакуумной технологии нанесения покрытий, и может быть использовано в машиностроении для нанесения износостойких, коррозионно-стойких и других защитных покрытий простого и сложного состава.

В вакуумной технологии нанесения покрытий широкое распространение получили магнетронные распылительные системы [1 и 2] Данные устройства обычно включают распыляемый катод-мишень, магнитную систему и анод и позволяют обеспечить высокую скорость нанесения покрытий при удовлетворительном качестве и равномерности по толщине.

Недостатком данных устройств относительно невысокое качество наносимых покрытий и невозможность проведения ряда технологических операций.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является магнетронное распылительное устройство [2] содержащее магнетронный распылительный источник, включающий размещенные в вакуумной камере с отверстием для подачи рабочего газа анод, полый цилиндрический катод-мишень и магнитную систему, установленную на внешней поверхности катода и состоящую по меньшей мере из двух магнитных элементов, коаксиальных катоду, а также включающее обрабатываемое изделие, размещенное внутри катода.

Недостаток данного устройства ограничение технологических возможностей за счет невозможности проведения в едином цикле одним источником операций очистки, нанесения и имплантации.

Цель изобретения улучшить качество наносимых покрытий, используемых для увеличения ресурса работы деталей, работающих в машиностроительном комплексе.

Для этого устройство для нанесения покрытий в вакууме, включающее магнетронный распылительный источник, содержащий размещенные в вакуумной камере с отверстием для подачи рабочего газа анод, полый цилиндрический катод-мишень и магнитную систему, установленную на внешней поверхности катода и состоящую по меньшей мере из двух магнитных элементов, коаксиальных катоду, а также включающее обрабатываемое изделие, размещенное внутри катода, снабжено источником подачи потенциала на изделие. Катод источника выполнен с кольцевым отверстием и состыкованным с ним полым цилиндрическим выступом с радиально расположенным относительно оси катода отверстием для подачи рабочего газа. Дополнительный электрод, установлен в полости выступа катода и электрически изолированы от него. Выступ расположен между встречно намагниченными элементами магнитной системы.

В известных магнетронных распылительных устройствах можно проводить только операцию нанесения покрытий. Качество покрытия (адгезия и структура) обычно улучшают за счет того, что в процессе нанесения покрытия обрабатываемая деталь находится под небольшим, отрицательным относительно плазмы разряда потенциалом. Это улучшает качество покрытия за счет того, что на обрабатываемую деталь из плазмы поступает поток ионов в основном, плазмообразующего газа, и в незначительном количестве ионов распыленного металла. Однако в таких устройствах практически нельзя увеличить энергию ионов, бомбардирующих обрабатываемую деталь, и изменить дозу бомбардирующих ионов независимо от параметров разряда в магнетронном распылительном устройстве. Предлагаемое техническое решение существенно отличается от известных тем, что в устройстве появляется возможность проводить операции имплантации и ионного перемешивания, причем данные операции можно проводить как в одном цикле с нанесением покрытия, так и последовательно. Конструкционные отличия предлагаемого устройства позволяют использовать одну магнитную систему для локализации плазмы у поверхности катода магнетронного распылительного устройства и для создания плазмы в объеме полости, являющейся по существу модификацией плазменного ионного источника. Расположение элементов магнитной системы к полости одноименными полюсами позволяет создать капсовую конфигурацию магнитного поля в полости и тем самым значительно увеличить интенсивность извлекаемого ионного пучка. Таким образом, предлагаемое техническое решение существенно отличается от известных в настоящее время устройств аналогичного назначения.

На чертеже изображена конструкция предлагаемого устройства для нанесения покрытий в вакууме.

Устройство содержит катод-мишень 1, анод-деталь 2, симметричные радиально расположенные эмиссионные отверстия 3, дополнительный кольцевой изолированный электрод 4, магнитную систему 5 сложной конфигурации, высоковольтные изоляторы 6, ввод 7 подачи плазмообразующего газа в вакуумный объем и полость, подвижный вакуумный ввод 8, систему 9 охлаждения катода-мишени и катодную полость 10.

Катод-мишень 1 выполнен в виде осесимметричного цилиндра, в котором имеется осесимметричная радиально расположенная катодная полость 10 с радиальными эмиссионными отверстиями, являющаяся по существу модификацией плазменного ионного источника. Магнитное поле создается магнитной системой 5 сложной конфигурации. Расположение элементов магнитной системы к полости 10 одноименными полюсами позволяет создать касповую конфигурацию магнитного поля в области эмиссионных отверстий. Вакуумный объем изолирован от корпуса вакуумными высоковольтными изоляторами 6. Обрабатываемая деталь закреплена в подвижном вакуумном вводе 8 и выполняет роль анода 2 в магнетронной системе распыления. Плазмообразующий газ поступает в вакуумный объем и катодную полость через вводы 7. Катод охлаждается принудительным водяным охлаждением системой 9.

Устройство работает следующим образом.

В вакуумный подвижный ввод 8 закрепляют обрабатываемую деталь 2, которая является анодом в магнетронной системе распыления. В рабочую камеру через газовый ввод 7 напускается рабочий газ, обычно аргон, и между катодом 1 и анодом 2 зажигается магнетронный разряд. При необходимости предварительной обработки детали конструкция позволяет зажигать разряд в обратной полярности, для распыления анода-детали. В магнетронном режиме работы катод 1 охлаждается посредством системы охлаждения 9. При магнетронном распылении катода 1 на деталь 2 при напуске аргона в камеру распыляются участки а и б, находящиеся под арочным магнитным полем. При напуске газа через ввод 7 эмиссионные отверстия 3 (их площадь) обеспечивают перепад давления плазмообразующего газа между полостью и основной разрядной камерой. В данном случае зажигают разряд только в полости между электродом 4 и катодом 1. Деталь обрабатывается ионами, ускоренными катодным падением потенциала и выходящими из отверстий 3 в случае одного источника питания. Увеличение энергии ионов достигается подачей на деталь потенциала, отрицательного по отношению к катоду 1, от дополнительного источника питания. Обрабатываемая деталь устанавливается с возможностью перемещения, что обеспечивает возможность однородного воздействия по ее поверхности.

После нанесения покрытия необходимой толщины рабочая камера откачивается до предельного вакуума. В катодную полость 10, которая служит разрядной камерой кольцевого источника, через ввод 7 напускается рабочий газ. Между катодом 1 и электродом 4 зажигается разряд. В теле катода напротив полости выполнены симметричные радиально-расположенные отверстия в форме щелей, которые играют роль формирователя эмиссионной границы плазмы. Встречное включение элементов магнитной системы 5 создает касповую конфигурацию магнитного поля, что повышает эффективность извлечения ионов под действием высокой разности потенциалов, приложенной к промежутку катод-деталь. Тело катода изолировано от обрабатываемой детали высоковольтным изолятором 6. Подвижный вакуумный ввод 8 обеспечивает обработку ионным пучком всей поверхности детали, по всей площади покрытия.

П р и м е р 1 осуществления процесса нанесения покрытия на инструмент с целью увеличения его износостойкости и коррозинной стойкости. Фрезы из стали 40 Х 3 упрочнялись следующим образом: при напуске аргона через отверстие 7 снизу в рабочую камеру и подаче от источника питания "-" на деталь 2, "+" на катод 1 производится ионная очистка поверхности детали, перемещающейся в рабочем объеме; происходит нанесение покрытия в магнетронном разряде. Деталь в процессе нанесения находится под потенциалом катода, что обеспечивает высокое качество покрытия. После нанесения покрытия толщиной 0,5 мкм прекращается подача газа через отверстие снизу и через ввод 7 в полость и подачей напряжения между электродом 4 и катодом 1 зажигается разряд в полости 10. Площадь отверстий 3 подбирается такой, чтобы при имеющихся средствах откачки обеспечить перепад давлений между полостью 10 и остальным объемом вакуумной камеры.

После зажигания разряда в полости 10 подается напряжение между деталью 2 и катодом 1 (деталь отрицательна относительно катода) и выставляется напряжение U_э, необходимое для соответствующей операции (перемешивания или имплантации). С границы плазмы, локализованной в плоскости отверстий 3, на деталь идет поток ускоренных ионов, плотность которого пропорциональна U_э^3/2 и обратно пропорциональна d₂, где d расстояние от детали до катода. В конкретной операции по упрочнению фрез использовали U_э 15 кВ, а в качестве плазмообразующих газов Аr и N₂.

В дальнейшем описанные операции по мере роста толщины покрытия повторяются.

Операция имплантации обычно проводятся аналогично при более высоких энергиях Uэ без операции нанесения покрытий.

П р и м е р 2, характеризующий возможности устройства. Износостойкие покрытия из TiN наносились следующим образом: через ввод 7 снизу подавался Ar, через ввод 7 в полость подавался N₂. В полости 10 зажигался самостоятельный разряд между электродами 4 и 1, а в камере зажигался несамостоятельный разряд между деталью 2 и катодом 1, на котором в зонах а и б установлены кольца из Ti. Таким образом, получались высококачественные покрытия из TiN с высокой воспроизводимостью, что объясняется ионизацией азота в полости 10, приводящей к увеличению вероятности образования TiN, по сравнению с традиционными способами, в которых в зону реакции подается молекулярный азот.

В количественном отношении преимущественно предлагаемого устройства выражается, например, в увеличении износостойкости инструмента: испытания, проведенные в заводских условиях, показали, что износостойкость (количество рабочих циклов инструмента) изделий, покрытых хромом в предлагаемом устройстве, в 2-3 раза выше, чем у изделий, покрытых в обычной магнетронной распылительной системе.

Таким образом, устройство позволяет достичь значительного положительного эффекта за счет расширения технологических возможностей.