FI79351C - Foerfarande och anordning foer ytbelaeggning av material. - Google Patents

Description

79351

MENETELMÄ JA LAITTEISTO MATERIAALIN PINNOITTAMISEKSI - FÖR-FARANDE OCH ANORDNING FÖR YTBELÄGGNING AV MATERIAL

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä ja laitteisto materiaalin pinnoittamiseksi.

Timantti- ja timantinkaltaisilla kalvoilla on ominaisuuksia, jotka muistuttavat vastaavien perinteisten timanttien ominaisuuksia. Ensimmäinen ominaisuus on kovuus. Toinen merkittävä mekaaninen ominaisuus on pieni kitkakerroin. Myös kulu-miskestävyys on erinomainen. Lisäksi tällainen pinnoite pysyy muuttumattomana kaikissa tunnetuissa emäksissä ja hapoissa. Timantinkaltaiset pinnoitteet ja kalvot soveltuvat siten erityisesti kulumiselle ja korroosiolle alttiiden kappaleiden, esimerkiksi voitelemattomien laakereiden, pinnoitukseen. Vielä voidaan mainita timantin suuri valon taitekerroin.

Mikroelektroniikassa voidaan käyttää hyväksi timantti- ja timantinkaltaisten kalvojen suurta lämpökapasiteettia ja lämmönjohtavuutta. Tavoiteltaessa entistä suurempia pakkaustiheyksiä ja nopeuksia on mikropiirien rakenteiden kokoa pienennettävä. Tällöin on sähkövirran synnyttämän lämmön hävittäminen vaikeampaa ja hyvä johtavuus entistä tärkeämpää.

Nykyään timantinkaltaisia kalvoja valmistetaan suoralla io-nisuihkutuksella, joka perustuu ionien energian lisäämiseen. Suorassa ionisuihkukasvatuksessa kalvo kasvatetaan materiaalin pintaan suoraan ionisuihkusta, josta epäpuhtaudet on poistettu erotusmagneetilla. Menetelmän suurimpana ongelmana on riittävän tehokkaan ionilähteen rakentaminen. Nykyään käytetään myös timanttikalvon kasvatusmenetelmää, joka perustuu plasma-avusteiselle kaasufaasipinnoitukselle (PAVCD). Siinä kiteinen timantti kasvaa metaanin ja vedyn seoksesta. Toisin kuin energeettisiin ionisuihkuihin perustuvassa kalvon kasvatuksessa, joka tapahtuu huoneen lämpötilassa, PAVCD

2 79351 vaatii korkean, noin 800°C lämpötilan. Tämä on suuri haitta ajateltaessa tavanomaisten konstruktio- tai työkalumateriaa-lien pinnoittamista.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edelläesitetyt epäkohdat. Keksinnön mukaiselle menetelmälle materiaalin pinnoittamiseksi on tunnusomaista se, että materiaalia pinnoitetaan plasmasuihkun avulla kiihdyttämällä ainakin yhdestä elektrodista lähtevää pulssimaista plasmasuihkua magneettikentän avulla sekä taivuttamalla varauksettomien hiukkasten erottamiseksi mainittua plasmasuihkua mainitun magneettikentän avulla, joiden kiihdyttämisen ja taivuttamisen jälkeen mainittu plasmasuihku iskeytyy pinnoitettavan materiaalin pintaan.

Menetelmän etuina ovat sen yksinkertaisuus ja se, että suuriakin pintoja voidaan haluttaessa pinnoittaa.

Keksinnön mukaisen menetelmän eräälle edulliselle sovel-lutusmuodolle on tunnusomaista se, että plasmasuihku muodostuu ainakin yhdestä elektrodista irtoavista hiukkasista.

Keksinnön mukaisen menetelmän vielä eräälle edulliselle so-vellutusmuodolle on tunnusomaista se, että pinnoittaminen tapahtuu tyhjössä.

Keksinnön mukaisen menetelmän vielä eräälle edulliselle so-vellutusmuodolle on tunnusomaista se, että pinnoittamisessa väliaineena käytetään kaasua, joka reagoi varautuneiden hiukkasten kanssa.

Keksinnön mukaisen menetelmän vielä eräälle edulliselle so-vellutusmuodolle on tunnusomaista se, että plasmasuihkua taivutetaan taivutetulla kelalla muodostettavan magneettikentän avulla.

Il 3 79351

Keksinnön mukaisen menetelmän soveltamiseen tarkoitetulle laitteistolle materiaalin pinnoittamiseksi on tunnusomaista se, että materiaalin pinnoittamiseksi laitteistossa on elektrodit, ainakin yksi jännitelähde ja ainakin yksi kondensaattori pulssimaisen plasmasuihkun muodostamiseksi sekä ainakin yksi taivutettu kela, johon muodostettavan magneettikentän avulla kiihdytetään ainakin yhdestä elektrodista lähtevää mainittua plasmasuihkua ja taivutetaan varauksettomien hiukkasten erottamiseksi mainittua plasmasuihkua.

Keksinnön mukaisen menetelmän soveltamiseen tarkoitetun laitteiston eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että jännitteen värähtelyn estämiseksi kondensaattorin rinnalle on kytketty diodi.

Keksinnön mukaisen menetelmän soveltamiseen tarkoitetun laitteiston vielä eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että laitteistossa on ainakin yksi syty-tinpiiri valokaaren synnyttämiseksi elektrodien välille.

Keksinnön mukaisen menetelmän soveltamiseen tarkoitetun laitteiston vielä eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että ainakin yksi elektrodi on sy-linterimäinen.

Keksinnön mukaisen menetelmän soveltamiseen tarkoitetun laitteiston vielä eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että ainakin yksi elektrodi on kokonaan tai osittain kelan sisällä.

Keksinnön mukaisen menetelmän soveltamiseen tarkoitetun laitteiston vielä eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että ainakin yhdessä elektrodissa on ainakin yksi reikä, jonka läpi plasmasuihku ohjataan.

4 79351

Keksinnön mukaisen menetelmän soveltamiseen tarkoitetun laitteiston vielä eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että sytytinpiirissä on kunkin sylinte-rimäisen elektrodin sisällä oleva metallisauva, toinen kondensaattori sekä jännitelähde, joilla muodostetaan sytyttävä valokaari mainitun elektrodin ja mainitun sauvan välille.

Keksinnön mukaisen menetelmän soveltamiseen tarkoitetun laitteiston vielä eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että sytytinpiirissä on ainakin yksi ulkoinen kärkiväli tai kytkin.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti esimerkin avulla viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa esitetty kuvio esittää plasmakiihdytintä sekä pinnoitettavaa kappaletta.

Plasmakiihdyttimellä muodostetaan materiaalin pinnoittamiseksi hiilestä plasmapilvi, ja tätä pilveä kiihdytetään kohti pinnoitettavaa kappaletta ja taivutetaan magneettikentällä, jonka jälkeen plasmasuihku iskeytyy käsiteltävän kappaleen pintaan. Sekä plasmakiihdytin että pinnoitettava kappale sijaitsevat tyhjössä. Plasmakiihdyttimessä on kiinteää hiiltä oleva sylinterinmuotoinen katodi 1, joka on yhdistetty ensimmäisen jännitelähteen 2 —napaan sekä ensimmäisen kondensaattorin ensimmäiseen napaan. Kiekkomainen anodi 3, jonka keskellä on reikä, on kytketty kuparijohtimesta valmistettuun sylinterimäiseen kelaan 4. Kela on taivutettu ja kytketty toisesta päästä ensimmäisen jännitelähteen 2 +-napaan ja ensimmäisen kondensaattorin toiseen napaan. Kondensaattorin napoihin on kytketty myös diodi D sekä säätövastus R. Katodi 1 on osittain ja anodi 3 kokonaan kelan 4 sisällä.

Katodin 1 sisällä on metallisauva 5. Katodi 1 ja sauva 5 muodostavat yhdessä toisen jännitelähteen 6 ja toisen kon-

II

5 79351 densaattorin C2 kanssa sytytinpiirin. Toinen jännitelähde 6 on säädettävä. Katodi 1 on kytketty toisen jännitelähteen 6 +-napaan ja toisen kondensaattorin C2 ensimmäiseen napaan. Metallisauva 5 taas on kytketty toisen jännitelähteen 6 —napaan ja toisen kondensaattorin C2 toiseen napaan.

Metallilevyn 7 pinnoitus plasmakiihdyttimellä tapahtuu seuraavasti. Ensimmäisellä jännitelähteellä 2 varataan sen rinnalle kytkettyä ensimmäistä kondensaattoria C^. Toisella jännitelähteellä 6 varataan sen rinnalle kytkettyä toista kondensaattoria C2, kunnes katodin 1 ja sauvan 5 muodostamassa ilmavälissä tapahtuu ylilyönti, jolloin mainittuun il-maväliin syntyy valokaari. Tämä valokaari purkaa toisen kondensaattorin C2 varauksen ja sytyttää vastaavasti katodin 1 ja anodin 3 välille valokaaren. Tällöin katodista 1 alkaa irrota hiiltä varautuneina ioneina sekä varauksettomina atomeina. Katodin 1 ja anodin 3 välisen valokaaren seurauksena purkautuu ensimmäisen kondensaattorin varaus ja valokaari sammuu kondensaattorin jännitteen pienentyessä pienemmäksi kuin valokaaren palamiseen tarvittava jännite. Näin hiiliatomeista ja -ioneista syntyy pulssimuotoinen plasmasuihku. Pulssin pituus määräytyy ensimmäisen kondensaattorin kapasitanssin perusteella.

Ensimmäisen kondensaattorin rinnalle on kytketty diodi D, jonka tehtävänä on poistaa ensimmäisen kondensaattorin ja käämin 4 muodostaman värähtelypiirin aiheuttama vastakkaismerkkinen jännite ensimmäisen kondensaattorin navoissa, ja säätövastus R, joka suojaa diodia D.

Plasmasuihkua kiihdytetään käämin 4 synnyttämässä magneettikentässä. Koska käämi 4 on taivutettu, kääntyvät anodissa 3 olevan reiän 8 läpi kulkeutuvat varautuneet ionit magneettikentän mukana. Sensijaan varautumattomat hiukkaset kulkevat suoraan kohtaamatta levyä 7 ja erottuvat näin varautuneista ioneista. Pinnoitettava levy 7 sijaitsee käämin 6 79351 4 ensimmäiseen jännitelähteeseen 2 ja ensimmäiseen kondensaattorin kytketyn pään lähellä. Koska käämin 4 synnyttämä magneettikenttä kääntää varautuneita ioneita, mutta ei varautumattomia hiukkasia, pinnoitettavaan levyyn iskeytyy ainoastaan magneettikentän kiihdyttämiä ioneita.

Kun levyn 7 pintaan iskeytyvällä ionilla on magneettikentän aikaansaama riittävän suuri energia, se pystyy tunkeutumaan pinnan sisään. Seuraavan 10”^ s aikana mikroskooppinen alue tunkeutuvan ionin läheisyydessä kokee suuria muutoksia. Merkittävä osa levyn pinnan atomeista on siirtynyt normaaleilta hilapaikoiltaan, ja vakanssien sekä välisija-atomien pitoisuus voi nousta useaan prosenttiin. Atomien liikkuvuus lisääntyy myös huomattavasti. Olosuhteet tällaisen ns. kaska-din sisällä vastaavat usean tuhannen Celsius-asteen lämpötilaa, vaikka ympäristön lämpötila pysyy muuttumattomana. Lisäksi paine kasvaa kaskadin reunoilla. Edelläesitetyn seurauksena syntyy timantinkaltainen kalvo levyn 7 pintaan.

Tyhjön sijasta voidaan käyttää väliaineena sopivaa kaasua, joka reagoi pinnoitettavan materiaalin pinnassa ionien kanssa muodostaen esimerkiksi boorinitridipinnan. Sytytin-piirissä katodin 1 ja metallisauvan 5 välinen valokaari sammuu itsestään toisen kondensaattorin C2 jännitteen laskiessa pienemmäksi kuin valokaaren palamiseen tarvittava jännite Sytytinpiirissä voi olla myös ulkoinen kärkiväli 9 tai kytkin, joka sammuttaa katodin 1 ja metallisauvan 5 välisen valokaaren halutulla hetkellä.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sove-luutusmuodot eivät rajoitu yksinomaan edelläesitettyyn esimerkkiin, vaan ne voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (9)

1. Menetelmä materiaalin pinnoittamiseksi pulssimaisen plasmas uihkun ja magneettikentän avulla, tunnettu siitä, että ainakin yhdestä elektrodista (1) lähtevää pulssi-maista plasmasuihkua kiihdytetään ja taivutetaan varauksettomien hiukkasten erottamiseksi magneettikentän avulla, joiden kiihdyttämisen ja taivuttamisen jälkeen plasmasuihku is-keytyy pinnoitettavan materiaalin (7) pintaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pinnoittaminen tapahtuu tyhjössä tai käyttämällä väliaineena kaasua, joka reagoi varautuneiden hiukkasten kanssa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että plasmasuihkua taivutetaan taivutetulla kelalla (4) muodostettavan magneettikentän avulla.

4. Patenttivaatimuksen 1 soveltamiseen tarkoitettu lait-. . teisto materiaalin pinnoittamiseksi, jossa on elektrodit (1, 3), ainakin yksi jännitelähde (2), ainakin yksi kondensaattori (C^) pulssimaisen plasmasuihkun muodostamiseksi sekä ainakin yksi kela magneettikentän muodostamiseksi, tunnettu siitä, että kela (4) on taivutettu, jolloin sillä muodostettavan magneettikentän avulla ainakin yhdestä elektrodista (1) lähtevää plasmasuihkua kiihdytetään ja taivutetaan varauksettomien hiukkasten erottamiseksi.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että jännitteen värähtelyn estämiseksi kondensaattorin (C1) rinnalle on kytketty diodi (D). β 79351

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että ainakin yksi elektrodi (1) on sylinterimäinen.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 4-6 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että ainakin yksi elektrodi (1,3) on kokonaan tai osittain kelan (4) sisällä.

7 79351

8. Jonkin patenttivaatimuksen 4-7 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteistossa on sytytinpiiri, jossa on kunkin sylinterimaisen elektrodin (1) sisällä oleva metallisauva (5), toinen kondensaattori (C2) sekä jännitelähde (6), joilla muodostetaan sytyttävä valokaari mainitun elektrodin (1) ja mainitun sauvan (5) välille.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 4-8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että sytytinpiirissä on ainakin yksi ulkoinen kärkiväli (9) tai kytkin. Il 9 7935,1 lr