RU2806258C1 - Method for deposition of pvd coating on multifaceted substrates - Google Patents
Method for deposition of pvd coating on multifaceted substrates Download PDFInfo
- Publication number
- RU2806258C1 RU2806258C1 RU2022129180A RU2022129180A RU2806258C1 RU 2806258 C1 RU2806258 C1 RU 2806258C1 RU 2022129180 A RU2022129180 A RU 2022129180A RU 2022129180 A RU2022129180 A RU 2022129180A RU 2806258 C1 RU2806258 C1 RU 2806258C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrates
- rotation
- around
- pvd
- coating
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при напылении вакуумно-плазменных покрытий в электронной, оптической, автомобильной, инструментальной и других отраслях промышленности.The invention relates to the field of mechanical engineering and can be used for spraying vacuum-plasma coatings in electronic, optical, automotive, instrumental and other industries.
Нанесение износостойких покрытий PVD-способом имеет ряд преимуществ, таких как относительно низкие температуры нанесения покрытия, большие возможности управлять структурой покрытия, экологическая безопасность.Applying wear-resistant coatings using the PVD method has a number of advantages, such as relatively low coating temperatures, greater ability to control the structure of the coating, and environmental safety.
Известны способы непрерывного осаждения на перемещающуюся подложку с двух ее сторон покрытий, сформированных вакуумным осаждением двумя паровыми эжекторами [RU №2755323, RU №2755324 и RU 2755327 - опубл. 15.09.2021 Бюл. №26]. Недостатками этих способов являются сложность установки при необходимости покрытия многогранных подложек, так как для его осуществления требуется несколько источников, и низкая производительность, так как в рабочей зоне находится только одна подложка.There are known methods of continuous deposition onto a moving substrate on both sides of coatings formed by vacuum deposition with two steam ejectors [RU No. 2755323, RU No. 2755324 and RU 2755327 - publ. 09/15/2021 Bulletin. No. 26]. The disadvantages of these methods are the complexity of installation when it is necessary to coat multifaceted substrates, since several sources are required for its implementation, and low productivity, since there is only one substrate in the working area.
Фактически те же недостатки имеют способы вакуумного PVD-покрытия, изложенные в изобретениях RU 2270274, US 6838151, RU 2423547, RU 2293794, RU 2293793, RU 2297473, JP 2002-080960 A, JP 60-056061 A. DE 102013206598 A1.In fact, the vacuum PVD coating methods set out in the inventions RU 2270274, US 6838151, RU 2423547, RU 2293794, RU 2293793, RU 2297473, JP 2002-080960 A, JP 60-056061 A. DE 1020 have the same disadvantages 13206598 A1.
Известен способ нанесения вакуумного PVD-покрытия на вращающиеся подложки относительно PVD-источника [RU 2478138 С23С 14/06Б С23С 14/24 - опубл. 27.03.2013 Бюл. №9]. Способ включает нанесение слоя сложного нитрида титана-алюминия и слоя нитрида хрома при вращении покрываемой подложки в виде режущего инструмента относительно распыляемых катодов, между слоем сложного нитрида титана-алюминия и слоем нитрида хрома наносят дополнительный барьерный слой из сложного нитрида циркония-ниобия, при этом нанесение покрытия осуществляют с помощью расположенных горизонтально в одной плоскости и подключенных к сепаратору капельной фазы трех распыляемых катодов в виде титан-алюминевого катода - из сплава ВТ5, цирконий-ниобиевого комбинированного катода с соотношением Zr:Nb=3:l и хромового катода, при вращении покрываемой подложки относительно распыляемых катодов со скоростью 1-2 об/мин. Недостатком этого устройства является ограниченные технологические возможности, так как способ предназначен для покрытия подложек с одной стороны, а для покрытия многогранных подложек требуется многократно прерывать процесс для переустановки подложек. Это резко снижает производительность обработки.There is a known method of applying vacuum PVD coating to rotating substrates relative to the PVD source [RU 2478138 S23S 14/06B S23S 14/24 - publ. 03/27/2013 Bulletin. No. 9]. The method involves applying a layer of complex titanium-aluminum nitride and a layer of chromium nitride when rotating the coated substrate in the form of a cutting tool relative to the sputtered cathodes; an additional barrier layer of complex zirconium-niobium nitride is applied between the layer of complex titanium-aluminum nitride and the chromium nitride layer, while applying coatings are carried out using three sputtered cathodes located horizontally in one plane and connected to the drop phase separator in the form of a titanium-aluminum cathode - made of VT5 alloy, a zirconium-niobium combined cathode with a ratio of Zr:Nb = 3:l and a chromium cathode, with rotation of the coated substrates relative to sputtered cathodes at a speed of 1-2 rpm. The disadvantage of this device is its limited technological capabilities, since the method is intended for coating substrates on one side, and for coating multifaceted substrates, the process must be repeatedly interrupted to reinstall the substrates. This dramatically reduces processing performance.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ нанесения PVD-покрытия на многогранные подложки, при котором подложкам придают планетарное движение, а покрытие осуществляют с помощью прямоугольного PVD-источника, размещенного с наружной стороны подложек симметрично по отношению к общей оси их вращения [W.-D. Munz, The new way to hard coatings; Arc Bond Sputtering, ABS Venlo, Hauzer/Techno Coating, 1991-прототип.]. В данном способе симметрично оси вращения планетарного механизма размещены четыре прямоугольные магнетронные распылительные системы (МРС), снаряженные мишенями, выполненными из различных материалов, в зависимости от строения получаемого многослойного покрытия. Несбалансированный эффект магнетронов достигается посредством использования внешних электромагнитных катушек, окружающих магнетроны. Магнитные поля катушек соседних магнетронов имеют противоположную полярность и создают замкнутое магнитное поле для увеличения плотности плазмы в зоне нанесения покрытий. Распыление мишеней выполняется в смешанной атмосфере N2 и Ar в режиме управления давлением. Многослойная периодическая структура покрытий достигается посредством последовательного облучения покрываемых поверхностей изделий-подложек потоками атомов, испускаемых из четырех катодов-мишеней. В зависимости от предварительно выбранной мощности, подаваемой на мишени от системы электропитания МРС, парциального давления реактивного газа, обеспечиваемого системой напуска и контроля рабочих газов и заданной скорости вращения карусельного устройства, наносятся покрытия с определенным периодом.The closest to the claimed invention in terms of technical essence and achieved result is a method of applying PVD coating to multifaceted substrates, in which the substrates are given planetary motion, and the coating is carried out using a rectangular PVD source placed on the outside of the substrates symmetrically with respect to their common axis rotation [W.-D. Munz, The new way to hard coatings; Arc Bond Sputtering, ABS Venlo, Hauzer/Techno Coating, 1991-prototype]. In this method, four rectangular magnetron sputtering systems (MRS), equipped with targets made of different materials, depending on the structure of the resulting multilayer coating, are placed symmetrically to the rotation axis of the planetary mechanism. The unbalanced effect of magnetrons is achieved through the use of external electromagnetic coils surrounding the magnetrons. The magnetic fields of the coils of adjacent magnetrons have opposite polarities and create a closed magnetic field to increase the plasma density in the coating area. Sputtering of targets is performed in a mixed atmosphere of N 2 and Ar in pressure control mode. The multilayer periodic structure of coatings is achieved through sequential irradiation of the coated surfaces of substrate products with flows of atoms emitted from four target cathodes. Depending on the preselected power supplied to the targets from the MRS power supply system, the partial pressure of the reactive gas provided by the system for injecting and controlling the working gases and the given rotation speed of the carousel device, coatings are applied with a certain period.
Основными недостатками вышеописанного способа является то, что при произвольном вращении многогранных подложек каждая из сторон подложек и каждая из подложек будет по-разному подвергаться воздействию потока частиц от PVD-источника, а неоднородные условия нанесения покрытия не позволяют тонко управлять структурой получаемого покрытия. Другим недостатком является то, что с целью достижения заданной толщины покрытия необходимо ориентироваться во времени на самые неблагоприятные условия воздействия PVD-источника на некоторые из подложек, что существенно снижает производительность обработки.The main disadvantages of the above method are that with arbitrary rotation of polyhedral substrates, each of the sides of the substrates and each of the substrates will be differently exposed to the particle flow from the PVD source, and the non-uniform coating conditions do not allow fine control of the structure of the resulting coating. Another disadvantage is that in order to achieve a given coating thickness, it is necessary to focus in time on the most unfavorable conditions of exposure of some of the substrates to the PVD source, which significantly reduces processing productivity.
Задачей изобретения является повышение качества и увеличение производительности нанесения PVD-покрытия на многогранных деталях.The objective of the invention is to improve the quality and increase the productivity of applying PVD coating on multifaceted parts.
Техническим результатом изобретения является обеспечение однородных условий нанесения покрытия многогранных подложек и расположение рабочих граней подложек под заданным углом к направлению потока вблизи PVD-источника.The technical result of the invention is to provide uniform conditions for coating multifaceted substrates and the location of the working faces of the substrates at a given angle to the flow direction near the PVD source.
Поставленная задача достигается способом нанесения PVD-покрытия на многогранные подложки, при котором подложкам придают планетарное движение, а покрытие осуществляют с помощью прямоугольного PVD-источника, размещенного с наружной стороны подложек симметрично по отношению к общей оси их вращения, подложки устанавливают вокруг их общей оси вращения с угловым шагом, равным:This task is achieved by a method of applying PVD coating to multifaceted substrates, in which the substrates are given planetary motion, and the coating is carried out using a rectangular PVD source placed on the outside of the substrates symmetrically with respect to the common axis of their rotation, the substrates are installed around their common axis of rotation with an angular step equal to:
так, чтобы одно из ребер каждой подложки при позиционировании в месте расположения PVD-источника располагалось под нужным углом к плоскости его излучения, а подложкам придают вращение вокруг своих осей в направлении, противоположном направлению вращения подложек вокруг их общей оси, с частотой, равнойso that one of the edges of each substrate, when positioned at the location of the PVD source, is located at the desired angle to the plane of its radiation, and the substrates are given rotation around their axes in the direction opposite to the direction of rotation of the substrates around their common axis, with a frequency equal to
где α0 - угловой шаг расположения подложек вокруг их общей оси вращения, рад; m - целое число, выбираемое по конструктивным соображениям; np - частота вращения каждой подложки вокруг своей оси, об/мин; nk - частота вращения подложек вокруг их общей оси, об/мин; λ - число граней подложки, на которые наносится покрытие.where α 0 is the angular step of the substrates around their common axis of rotation, rad; m is an integer chosen for design reasons; n p is the rotation frequency of each substrate around its axis, rpm; n k is the frequency of rotation of the substrates around their common axis, rpm; λ is the number of substrate faces on which the coating is applied.
Так как угловой шаг расположения подложек установлен по приведенной выше зависимости от числа граней подложек, то это обеспечивает то, что все подложки при позиционировании относительно PVD-источника всегда будут обращены к нему одним из своих ребер под заданным углом, а придание подложкам частоты вращения в зависимости от частоты вращения подложек вокруг их общего центра и от числа граней подложек обеспечивает последовательную смену граней подложки при позиционировании возле потока PVD-источника. Этим достигается однородность условия воздействие PVD-источника как на каждую подложку, так и на каждую грань подложки. А так как при позиционировании в месте расположения PVD-источника каждая подложка расположена к направлению его потока под заданным оптимальным углом что способствует повышению производительности нанесения покрытия. Тем самым решается поставленная задача повышения качества и увеличения производительности нанесения PVD-покрытия на многогранных деталях.Since the angular step of the location of the substrates is set according to the above dependence on the number of faces of the substrates, this ensures that all substrates, when positioned relative to the PVD source, will always face it with one of their edges at a given angle, and giving the substrates a rotation speed depending on the frequency of rotation of the substrates around their common center and on the number of substrate faces ensures a sequential change of substrate faces when positioned near the PVD source flow. This ensures uniformity of the conditions of exposure of the PVD source both to each substrate and to each face of the substrate. And since when positioned at the location of the PVD source, each substrate is located towards the direction of its flow at a given optimal angle, which helps to increase the productivity of coating. This solves the problem of improving the quality and increasing the productivity of applying PVD coating on multifaceted parts.
На фиг. 1 изображена схема осуществления способа. На фиг. 1 обозначены:In fig. 1 shows a diagram of the method. In fig. 1 are marked:
1. Вакуумная камера» 2 PVD-источник; 3 Планетарный механизм; 4. Подложки с тремя гранями.1. Vacuum chamber" 2 PVD source; 3 Planetary mechanism; 4. Substrates with three edges.
В вакуумной камере 1 размещают PVD-источник 2 и планетарный механизм 3 с центром вращения О. Планетарный механизм 3 устанавливают симметрично относительно PVD-источника 2. В планетарном механизме 3 устанавливают подложки 4 с возможностью вращения вокруг их осей симметрии. Подложки 4 устанавливают равномерно вдоль их общей окружности вращения с центром О с угловым шагом, равным:A PVD source 2 and a
где m - целое число, выбираемое по конструктивным соображениям; λ - число граней подложек, на которые наносится покрытие.where m is an integer chosen for design reasons; λ is the number of substrate faces on which the coating is applied.
Кроме того, смежные грани каждой подложки изначально устанавливают симметрично диаметральной плоскости планетарного механизма (β/2 фиг. 1, где β - угол между смежными гранями подложки, рад.) параллельно оси его вращения и так, чтобы ребро, образуемое геометрическим пересечением этих граней подложки, в зоне действия PVD-источника располагалась против потока его излучения.In addition, the adjacent faces of each substrate are initially installed symmetrically to the diametrical plane of the planetary mechanism (β/2 of Fig. 1, where β is the angle between adjacent faces of the substrate, rad.) parallel to the axis of its rotation and so that the edge formed by the geometric intersection of these faces of the substrate , in the zone of action of the PVD source was located opposite the flow of its radiation.
Процесс PVD-покрытия осуществляют в процессе вращения планетарного механизма 3 вокруг оси О с частотой nk и при одновременном вращении подложек 4 вокруг их оси симметрии с частотойThe PVD coating process is carried out during the rotation of the
где np - частота вращения каждой подложки вокруг своей оси симметрии, об/мин; nk - частота вращения подложек вокруг их общей оси О, об/мин.where n p is the rotation frequency of each substrate around its axis of symmetry, rpm; n k is the frequency of rotation of the substrates around their common axis O, rpm.
Знак «минус» показывает, что вращение подложки осуществляется в направлении, противоположном вращения подложек вокруг их общего центра О. Это важно потому, что покрываемые грани более длительно позиционирует в зоне действия PVD-источника и все это время обращены под нужным углом к источнику. Это позволяет управлять формируемой структурой покрытия и потенциально сокращает потребное время осуществления покрытия и повышает производительность обработки.The minus sign shows that the rotation of the substrate is carried out in the direction opposite to the rotation of the substrates around their common center O. This is important because the coated faces are positioned for a longer period of time in the area of action of the PVD source and all this time they are facing at the desired angle to the source. This allows you to control the coating structure being formed and potentially reduces the required coating time and increases processing productivity.
При обеспечении соотношения (1) и (2) каждая подложка при повороте планетарного механизма на угол α0 поворачивается на угол 2π/λ, а при каждом новом повороте подложки относительно PVD-источника подложка обращается к PVD-источнику своим следующим ребром. Тем самым обеспечивается однородность условия покрытия каждой подложки и каждой грани подложки, а, следовательно, одинаковость покрытия. Тем самым решается поставленная задача повышения качества и стабильности качества покрытия.When relationships (1) and (2) are ensured, each substrate, when the planetary mechanism is rotated through an angle α 0 , is rotated through an angle 2π/λ, and with each new rotation of the substrate relative to the PVD source, the substrate turns to the PVD source with its next edge. This ensures uniformity of the coating conditions for each substrate and each face of the substrate, and, consequently, uniformity of the coating. This solves the problem of improving the quality and stability of the coating quality.
Пример. Предположим, что алмазоподобному углеродному наноструктурированному PVD-покрытию подвергаются одинаковые трехгранные (λ=3) детали типа «Призма», имеющие центральное отверстие. Покрытие осуществляют на вакуумной на установке DREVA 600, принадлежащей заявителю - ООО «ТехноТерм-Саратов». Вакуумная камера снабжена прямоугольным PVD-источником и планетарным механизмом, расположенным симметрично относительно PVD-источника. Частота вращения планетарного механизма составляет nk=3 об/мин. Планетарный механизм имеет стойки, направленные вдоль оси вращения планетарного механизма, на которые своими отверстиями нанизываются детали по высоте PVD-источника. Подложки при установке на стойках ориентируют так, чтобы две смежные грани, подвергающиеся покрытию, располагались симметрично диаметральной плоскости планетарного механизма (β/2) ребром их геометрического пересечения наружу. Одна из стоек установлена напротив PVD-источника так, что плоскость симметрии PVD-источника проходит через ось вращения этой стойки и ось вращения планетарного механизма. В таком случае две пересекающиеся грани подложки будут располагаться симметрично относительно потока PVD-источника.Example. Let us assume that identical triangular (λ=3) “Prism” type parts with a central hole are subjected to a diamond-like carbon nanostructured PVD coating. The coating is carried out using a vacuum installation DREVA 600, owned by the applicant - TechnoTerm-Saratov LLC. The vacuum chamber is equipped with a rectangular PVD source and a planetary mechanism located symmetrically relative to the PVD source. The rotation frequency of the planetary mechanism is n k =3 rpm. The planetary mechanism has racks directed along the axis of rotation of the planetary mechanism, onto which parts are strung with their holes at the height of the PVD source. When installed on stands, the substrates are oriented so that two adjacent faces to be coated are located symmetrically to the diametrical plane of the planetary mechanism (β/2) with the edge of their geometric intersection outward. One of the racks is installed opposite the PVD source so that the symmetry plane of the PVD source passes through the rotation axis of this rack and the rotation axis of the planetary mechanism. In this case, two intersecting faces of the substrate will be located symmetrically relative to the flow of the PVD source.
Эксперименты показали, что установка грани призмы под углом порядка 60° к плоскости PVD-источника формируется плотная аморфная структура углеродного покрытия с высокой микротвердостью и адгезией к подложке.Experiments have shown that setting the prism face at an angle of about 60° to the plane of the PVD source results in the formation of a dense amorphous structure of a carbon coating with high microhardness and adhesion to the substrate.
Для обеспечения требуемого качества покрытия, а именно, однородности покрытия всех граней обрабатываемых деталей, по формуле (1) определяем угловой шаг расположения осей вращения подложек. Для этого задаемся целым числом m=5 и находим:To ensure the required quality of the coating, namely, the uniformity of the coating of all faces of the workpieces, using formula (1) we determine the angular step of the location of the rotation axes of the substrates. To do this, we set the integer m=5 and find:
Убеждаемся в том, что при таком угловом шаге расположения подложек они не задевают одна другую при вращении и в том, что они максимально плотно расположены вдоль окружности расположения стоек, на которые они установлены. Тогда по формуле (2) определяем частоту вращения подложек:We make sure that with such an angular spacing of the substrates they do not touch each other during rotation and that they are located as closely as possible along the circumference of the racks on which they are installed. Then, using formula (2), we determine the rotation frequency of the substrates:
При таких параметрах осуществления PVD-покрытия обеспечивается равномерность покрытия всех подложек и всех их граней, что обеспечивает решение поставленной задачи повышения качества. Другим преимуществом данного способа является то, что требуемая толщина покрытия обеспечивается за меньшее время обработки, что обеспечивает более высокую производительность обработки деталей.With such parameters for PVD coating, uniform coverage of all substrates and all their faces is ensured, which provides a solution to the problem of improving quality. Another advantage of this method is that the required coating thickness is achieved in less processing time, which provides higher productivity for machining parts.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2806258C1 true RU2806258C1 (en) | 2023-10-30 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3632494A (en) * | 1967-11-06 | 1972-01-04 | Warner Lambert Co | Coating method and apparatus |
| US20060169584A1 (en) * | 2005-02-03 | 2006-08-03 | Applied Materials Inc. | Physical vapor deposition plasma reactor with RF source power applied to the target |
| AU2005202627B2 (en) * | 2000-05-22 | 2008-03-13 | Nova Machine Products, Inc. | Configurable vacuum system and method |
| RU2320776C2 (en) * | 2002-10-09 | 2008-03-27 | Исикавадзима-Харима Хэви Индастриз Ко.,Лтд. | Rotating member and method for depositing of coating onto the same |
| RU2606363C2 (en) * | 2015-05-27 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Carousel-type unit for multi-layered coatings magnetron sputtering and method of equal thickness nano-coating magnetron sputtering |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3632494A (en) * | 1967-11-06 | 1972-01-04 | Warner Lambert Co | Coating method and apparatus |
| AU2005202627B2 (en) * | 2000-05-22 | 2008-03-13 | Nova Machine Products, Inc. | Configurable vacuum system and method |
| RU2320776C2 (en) * | 2002-10-09 | 2008-03-27 | Исикавадзима-Харима Хэви Индастриз Ко.,Лтд. | Rotating member and method for depositing of coating onto the same |
| US20060169584A1 (en) * | 2005-02-03 | 2006-08-03 | Applied Materials Inc. | Physical vapor deposition plasma reactor with RF source power applied to the target |
| RU2606363C2 (en) * | 2015-05-27 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Carousel-type unit for multi-layered coatings magnetron sputtering and method of equal thickness nano-coating magnetron sputtering |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Григорьев С.Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента, М., Машиностроение, 2009, c.144, фигура 3.34(б), с.145. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Baptista et al. | On the physical vapour deposition (PVD): evolution of magnetron sputtering processes for industrial applications | |
| Grigoriev et al. | Specific features of the structure and properties of arc-PVD coatings depending on the spatial arrangement of the sample in the chamber | |
| RU2308538C1 (en) | Device for applying multi-layer coatings | |
| KR100692584B1 (en) | Coater with a Large-Area Assembly of Rotatable Magnetrons | |
| RU2678492C1 (en) | Device for producing a composite film of multi-element alloy | |
| JP2001501257A (en) | Sputtering method and apparatus having a rotating magnet sputter source | |
| KR102410186B1 (en) | Film forming apparatus and film forming substsrate manufacturing method | |
| JP6101238B2 (en) | Coating apparatus for coating a substrate and method for coating a substrate | |
| JP2017128813A (en) | Method for coating substrate and coater | |
| JP2009512788A (en) | Cathodes and applications incorporating rotating targets in combination with fixed or moving magnet assemblies | |
| Raman et al. | High power pulsed magnetron sputtering: A method to increase deposition rate | |
| JP6438657B2 (en) | Cylindrical deposition source | |
| Panjan | Influence of substrate rotation and target arrangement on the periodicity and uniformity of layered coatings | |
| TWI567216B (en) | Mini rotatable sputter devices for sputter deposition | |
| CN104060225A (en) | Coating Method For Depositing Layer System On Substrate And Substrate Having Layer System | |
| TW202018113A (en) | Tilted magnetron in a pvd sputtering deposition chamber | |
| RU2806258C1 (en) | Method for deposition of pvd coating on multifaceted substrates | |
| RU2691166C1 (en) | Method of applying protective coatings and device for its implementation | |
| Xiang et al. | Recent developments in magnetron sputtering | |
| CN107723674A (en) | A kind of ion gun aids in high-power impulse magnetron sputtering precipitation equipment | |
| JP6896691B2 (en) | Low temperature arc discharge ion plating coating | |
| TW202325875A (en) | Semiconductor chamber | |
| JP3439993B2 (en) | Magnetron sputtering equipment | |
| WO2017026343A1 (en) | Sputtering apparatus and film formation method | |
| KR102241728B1 (en) | Film-forming apparatus and method for controlling the same |