HU188635B

HU188635B - Apparatus for reactive application of layer with plasmatrone

Info

Publication number: HU188635B
Application number: HU66480A
Authority: HU
Inventors: Harald Bilz; Ulrich Heisig; Siegfried Schiller; Klaus Goedicke; Karl Steinfelder; Johannes Struempel; Juergen Henneberger; Ingo Steinhauer
Original assignee: Kombinat Veb Keramische Werke Hermsdorf,Dd
Priority date: 1979-03-22
Filing date: 1980-03-20
Publication date: 1986-05-28
Also published as: DD142568A1

Abstract

A találmány tárgya berendezés plazmatronnal történő reaktív rétegfelhordásra elektromosan vezető céltárgy reakciógázban való porlasztása révén, főként bizonyos kémiai vegyületekből, mint pl. oxidokból vagy karbidokból álló rétegek bevonandó tárgyakra való porlasztásos felviteléhez. A találmány lényege az, hogy a plazmatron porlasztóforrás és a bevonandó tárgyak közötti rétegfelhordási tér elektromosan vezető, a rétegfelhordó berendezés többi részétől elszigetelten elrendezett fallal van körülvéve. A porlasztóforrással szemben a bevonandó tárgyak tartományában egy, a porlasztóforrás céltárgyfelületének legfeljebb háromszorosát kitevő nyílás van kialakítva. A fal és a bevonandó tárgyak, illetve azok elektromosan vezető tartóelemei között legalább 5 voltos potenciál-különbség van beállítva, így a bevonandó tárgyak falhoz képesti polaritása pozitív, a fal nyílása pedig a bevonandó tárgyak tartományában olyan kicsi. hogy a negatív töltéshordozók átlagos áramsűrűsége a bevonandó tárgyakon több mint 5 · 10'3 A/cm2. -1-Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for spray reacting with a plasma matrix by spraying an electrically conductive target in a reaction gas, in particular from certain chemical compounds such as e.g. for spray application of layers of oxides or carbides to the articles to be coated. It is an object of the present invention that the layer application area between the plasmatron atomizer and the objects to be coated is surrounded by a wall that is insulated from the rest of the coating device in isolation. In the area of the objects to be coated, an aperture up to three times the target surface of the atomiser source is formed in the area of the object to be sprayed. There is a potential difference of at least 5 volts between the wall and the objects to be coated and their electrically conductive supports, so that the polarity of the objects to be coated is positive and the wall opening is so small in the area of the objects to be coated. that the average current density of the negative charge carriers on the objects to be coated is more than 5 · 10'3 A / cm2. -1-

Description

A találmány tárgya berendezés plazmatronnal történő reaktív rétegfelhordásra elektromosan vezető céltárgy reakciógázban való porlasztása révén. A berendezés elsősorban bizonyos kémiai vegyületekből, mint például oxídokból vagy karbidokból álló rétegek porlasztásos felviteléhez alkalmazható előnyösen.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to an apparatus for reactive deposition on a plasma tube by spraying an electrically conductive target in a reaction gas. The apparatus is particularly useful for the spray application of layers consisting of certain chemical compounds such as oxides or carbides.

Adott kémiai vegyületekből álló rétegek előállítása közvetlen elgőzölögtetés vagy porlasztás útján csak néhány speciális anyag esetében lehetséges. Általában ugyanis az elgőzölögtetési vagy porlasztási folyamat következtében a vegyület termikus disszociációja lép fel. Hátrányként jelentkezik továbbá, hogy a vegyületek elgőzölögtetése vagy porlasztása nagyon kis kondenzációs arányhoz van kötve. A fentiek miatt különféle eljárásokat fejlesztettek ki elektromosan vezető anyagok, főként fémek, reakciógázok jelenlétében történő elgőzölögtetéséhez vagy porlasztásához azzal a céllal, hogy a fémrészecskékből és gázból álló reakcióterméket a kívánt kémiai vegyület formájában kondenzálják. Ennek az úgynevezett reaktív rétegfelhordásnak azonban különféle fogyatékosságai vannak. A reaktív gáz nyomását az elgőzölögtetés vagy porlasztás alatt nem lehet tetszőlegesen növelni, mert különben a vegyi reakciók az elgőzölögtetőn vagy a porlasztóforrás céltárgyán lépnek fel. Ezáltal a reakció hatásfoka nem kielégítő, és nem biztosítja a rétegek elérni kívánt kémiai összetételét. Ebből az egyik kiutat abban látják, hogy csökkentik az elgőzölögtetési ill. porlasztási arányt. Ezáltal viszont romlik a reaktív rétegfelhordás gazdaságossága. Azzal is próbálkoztak, hogy a gázbevezetés speciális kialakításaival a reaktív gáz nagyobb parciális nyomását érték el a bevonandó tárgyon. Azzal is próbálkoztak, hogy járulékos elektromos kisütéssel a reaktív gáz korlátozott nyomása mellett növeljék a reakció hatásfokát. Ez az úgynevezett ARE (activated reactive evaporation aktivált reaktív elgőzölögtetés) eljárás. Mindkét megoldással azonban csak a reakció hatásfokának csekély mértékű növelését sikerült elérni. A reaktív rétegfelhordást egyenáramú üzemmód mellett porlasztás révén eddig csak nagyon kis kondenzációs arány mellett sikerült megvalósítani. Még a plazmatron típusú, nagy hatásfokú porlasztóforrások alkalmazása esetén is meglehetősen alacsony, 0,01 ... 0,1 /.im/perc tartományba esnek a vegyületek kondenzációs arányának maximális értékei.Layers of particular chemical compounds can be made by direct evaporation or spraying only for some special materials. Generally, the evaporation or atomization process results in thermal dissociation of the compound. A further disadvantage is that the evaporation or atomization of the compounds is bound to a very low condensation rate. For this reason, various processes have been developed for the vaporization or spraying of electrically conductive materials, particularly metals, in the presence of reaction gases, with the aim of condensing the reaction product of metal particles and gas in the form of the desired chemical compound. However, this so-called reactive layer application has various disadvantages. The pressure of the reactive gas may not be increased arbitrarily during the evaporation or atomisation, otherwise the chemical reactions will occur at the evaporator or at the target of the atomization source. Thus, the efficiency of the reaction is unsatisfactory and does not ensure the desired chemical composition of the layers. One way out of this is that they reduce the amount of steaming or steaming. spray rate. This, in turn, degrades the economics of reactive coating. They also attempted to achieve, by means of special gas supply designs, a higher partial pressure of the reactive gas on the object to be coated. They have also attempted to increase the efficiency of the reaction by providing additional electrical discharge at a limited pressure of the reactive gas. This is called the ARE (activated reactive evaporation) procedure. However, with both solutions only a slight increase in reaction efficiency was achieved. Until now, reactive layer application with direct current operation by spraying has been achieved only at very low condensation rates. Even with the use of plasmatron-type high-efficiency atomization sources, the maximum condensation ratios of the compounds are in the range of 0.01 to 0.1 µm / min.

Célunk a találmánnyal a technika állásához tartozó megoldások hiányosságainak kiküszöbölése és megfelelő berendezés kidolgozása elektromosan vezető céltárgy reakciógázban történő porlasztása általi reaktív rétegfelhordásra.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to overcome the shortcomings of the prior art and to provide an appropriate apparatus for reactive deposition by spraying an electrically conductive target on a reaction gas.

A találmány által megoldandó feladat olyan berendezés létrehozása egyenáramú plazmatronnal történő reaktív rétegfelhordáshoz, amely a reakció hatásfokának, vagyis a vegyi reakció aktiválásának növelése révén kémiai vegyületekből álló rétegek előállítását a plazmatronra jellemző magas kondenzációs arány mellett te2 szí lehetővé, emellett pedig felépítését tekintve egyszerű kialakítású.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a device for reactive layer application with a DC plasma tube which, by increasing the reaction efficiency, i.e., activating the chemical reaction, allows the formation of layers of chemical compounds at high condensation rates

A kitűzött feladatot egy plazmatron porlasztóforrással, vele szemben, előnyösen mozgatható módon elrendezett bevonandó tárgyakkal, valamint gázbevezetés segítségével a találmány értelmében azáltal oldjuk meg, hogy a plazmatron porlasztóforrás és a bevonandó tárgyak közötti rétegfelhordási tér elektromosan vezető, a rétegfelhordó berendezés többi részétől elszigetelten elrendezett fallal van körülvéve. A porlasztóforrással szemben a bevonandó tárgyak tartományában egy, a porlasztóforrás céltárgyfelületének legfeljebb háromszorosát kitevő nyílás van kialakítva. A fal és a bevonandó tárgyak illetve azok elektromosan vezető tartóelemei között legalább 5 voltos potenciál-különbség van beállítva, így a bevonandó tárgyak falhoz képesti polaritása pozitív, a fal nyílása pedig a bevonandó tárgyak tartományában olyan kicsi, hogy a negatív töltéshordozók átlagos áramsűrűsége a bevonandó tárgyakon több mint 5 - 10A/cm².SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to provide a plasmatron nebulizer source, preferably a movable object to be coated, and a gas inlet according to the invention, by separating the plasmatron atomizer source and the object to be coated electrically conductive from the rest of the layer applicator surrounded. Opposite to the spray source, an aperture of up to three times the target surface of the spray source is provided in the region of the objects to be coated. A potential difference of at least 5 volts is set between the wall and the objects to be coated and their electrically conductive supports so that the objects to be coated have a positive polarity relative to the wall and the aperture in the wall is so small more than 5 - 10A / cm ² .

A találmány szerinti berendezéssel elérhető, hogy a plazmatronos· porlasztás általi reaktív rétegfelhordás alatt egyidejűleg kis energiájú negatív töltéshordozók nagyon sűrű árama érje a bevonandó tárgyakat. Ezáltal a plazmatartományban lejátszódó reaktív folyamat aktiválása érhető el a bevonandó tárgyak közelében, főként pedig a bevonandó tárgyak felületén. Az elektronok energiája a potenciálkülönbség növelésével növelhető, ezáltal pedig az elérni kívánt reakció vegyi természetéhez, főleg annak aktiválási energiájához igazítható. Ha nem érjük el a negatív töltéshordozók szükséges áramsűrűségét, akkor az elektromosan vezető fal nyílását a bevonandó tárgyak tartományában fokozatosan addig kell csökkenteni, amíg az átlagos áramsűrűség legalább az 5 · 10“³ A/cm²értéket el nem éri.The device of the present invention achieves the simultaneous application of a very dense current of low-energy negative charge carriers during coating application by plasmatron atomization. Thus, activation of the reactive process in the plasma region can be achieved near the objects to be coated, particularly on the surface of the objects to be coated. The energy of electrons can be increased by increasing the potential difference, thus adapting it to the chemical nature of the reaction desired, especially its activation energy. If the required current density of the negative charge carriers is not achieved, the opening of the electrically conductive wall in the range of objects to be coated shall be gradually reduced until the average current density reaches at least 5 · 10 “ ³ A / cm ² .

A találmány szerinti berendezés egyik célszerű kiviteli alakjánál a bevonandó tárgyak illetve azok elektromosan vezető tartóelemei földelve vannak, amely feszültségforrás pozitív pólusa földelve van.In a preferred embodiment of the device according to the invention, the articles to be coated or their electrically conductive support members are grounded, the positive pole of the voltage source being grounded.

Célszerű lehet azonban olyan megoldás is, ahol az elektromosan vezető fal van földelve, míg a bevonandó tárgyak, illetve azok elektromosan vezető tartóelemei a feszültségforrás pozitív pólusára vannak csatlakoztatva, amely feszültségforrás negatív pólusa földelve van.However, it may also be desirable to have a conductive wall that is grounded while the articles to be coated and their electrically conductive supports are connected to the positive pole of the voltage source, which negative ground to the voltage source.

A találmány szerinti berendezés hatásmechanizmusa alapvetően különbözik a reaktív diódús porlasztástól, ahol a bevonandó tárgyak ugyan szintén pozitívan vannak polarizálva környezetükhöz képest és elektronok felütközéseinek vannak kitéve, ahol azonban az elektronok energiája mintegy két nagyságrenddel nagyobb és ez nem, illetve csak a kisülési teljesítmény változtatásával befolyásolható. A fentiek következtében a reaktív diódás porlasztásnál nem is annyira a reakció aktiválása, mint inkább a bevonandó tárgyak legtöbbször igen zavaró, nagy-23The mechanism of the invention differs fundamentally from the reactive diode atomization, where the objects to be coated are also positively polarized with respect to their surroundings and subject to electron collision, but the electron energy is about two orders of magnitude higher and not only by changing the discharge power. As a result, reactive diode atomization is not so much about activating the reaction as the objects to be coated are usually very disturbing,

188 635 mértékű felmelegedése jelentkezik. A találmány szerinti berendezés hatásmechanizmusa különbözik az ionok által elősegített vákuumos rétegfelhordástól is, ahol a réteg befolyásolását pozitív töltéshordozók viszonylag kis áramával igyekeznek elérni.188,635 is warming up. The mechanism of action of the device of the present invention is also different from that of ion-assisted vacuum deposition, where the effect of the layer is achieved with a relatively low current of positive charge carriers.

A találmányt részletesebben a csatolt rajz alapján ismertetjük, amelynek egyetlen ábrája egy találmány szerinti berendezés (rétegfelhordási kamra) metszetét tünteti fel.The invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which only a sectional view of an apparatus according to the invention (layer application chamber) is shown.

Amint az az ábrán látható, az 1 rétegfelhordási kamrában 2 porlasztóforrás (plazmatron) van elrendezve. Az 1 rétegfelhordási kamra falában szabályzószeleppel ellátott 3 gázbevezetés van kialakítva, amelyen keresztül a reakciógázt, például 60% argont tartalmazó metánt vezetünk be, mintegy 0,3 Pa nyomásig. A 4 egyenáramú generátorral felszerelt 2 porlasztóforrás titánból készült 5 céltárgy (target) porlasztására szolgál. A 6 bevonandó tárgyak fémből készült, tálcaként kialakított 7 tartóelemen vannak rögzítve, amely a rétegfelhordás alatt a nyilak irányában ide-oda mozgatható. A 7 tartóelem földelve van. A 6 bevonandó tárgyak és a 2 porlasztóforrás közötti 8 rétegfelhordási teret a berendezés többi részétől elszigetelten elrendezett, elektromosan vezető 9 fal veszi körül. A 9 falban, a 6 bevonandó tárgyak tartományában kialakított 10 nyílás nagysága és alakja megegyezik az 5 céltárgyéval. A berendezés 11 feszültségforrásának polaritása úgy van kialakítva, hogy pozitív pólusa földelve van, negatív pólusa pedig a 9 fallal van összekötve. Ily módon a 6 bevonandó tárgyak és a 9 fal között potenciál-különbség jelentkezik, a 6 bevonandó tárgyak pozitív polaritásával. A potenciál-különbség a 11 feszültségforrás segítségével 12 V-ra van beállítva. A 9 fal 10 nyílása 200 cm²-rel úgy van méretezve, hogy a 2 porlasztóforrás 2 kW teljesítménye esetén a negatív töltéshordozók közepes áramsűrűsége a 6 bevonandó tárgyakon a rétegfelhordás idején · 10^-3 A/cm² értéket mutat. Ily módon a 6 bevonandó tárgyakon titánkarbid-réteg kondenzálódik, nagy hatásfokkal.As shown in the figure, a spray source 2 (plasmatron) is arranged in the layer application chamber 1. A gas inlet 3 with a control valve is formed in the wall of the application chamber 1 through which the reaction gas, such as methane containing 60% argon, is introduced to a pressure of about 0.3 Pa. The nebulizer source 2 provided with a DC generator 4 is used for atomizing a target 5 made of titanium. The objects to be coated 6 are fixed on a metal support 7, which can be moved back and forth in the direction of the arrows during the application of the layer. The bracket 7 is grounded. The layer 8 between the objects 6 to be coated and the spray source 2 is surrounded by an electrically conductive wall 9 isolated from the rest of the apparatus. The opening 10 in the wall 9, in the region of the objects to be coated 6, has the same size and shape as the target 5. The polarity of the voltage source 11 of the device is configured so that the positive pole is grounded and the negative pole is connected to the wall 9. Thus, there is a potential difference between the articles 6 to be coated and the wall 9 with the positive polarity of the articles 6 to be coated. The potential difference is set to 12 V by the voltage source 11. The aperture 10 of the wall 9 is sized by 200 cm ² so that the average current density of the negative charge carriers on the objects 6 to be coated at the time of coating application is ² · 10 ^-3 A / cm ² at 2 kW. In this way, the titanium carbide layer on the articles to be coated is condensed with high efficiency.

Claims

An apparatus for reactive deposition with a plasmatron, which apparatus is a plasmatron

It consists of 10 atomization sources, opposite to it, preferably movable objects to be coated, and a gas inlet, characterized in that between the plasmatron atomization source (2) and the objects to be coated (6)

15 layer application areas (8) surrounded by an electrically conductive, insulated wall (9) having an opening (10) of up to three times the target surface of the plasmatron atomization source (2) in the region of objects to be coated so that the wall (9) and there is set a potential difference of at least 5 volts between the objects to be coated (6) and their support elements (7), so that the objects to be coated (6) have a positive polarity with respect to the wall (9) and

Its apertures (10) in the region of the objects to be coated (6) are so small that the average current density of the negative charge carriers on the objects to be coated (6) is more than 5 · 10 “ ³ A / cm ² .

2. The device according to claim 1, characterized in that the objects (6) and / or the objects to be coated (6) are formed. their brackets (7) are grounded while the wall (9) is connected to the negative pole of a voltage source (11), which positive earth terminal (11) is provided.

An embodiment of the device according to claim 1, characterized in that the wall (9) is grounded, while the objects (6) and (6) to be coated are respectively earthed. their holding elements (7)

They are connected to 40 positive poles, the negative pole of which voltage source (11) is grounded.