UA122445C2 - Пристрій для нанесення покриттів у вакуумі - Google Patents

Abstract

Винахід стосується іонно-плазмової техніки і може бути використаний для нанесення на внутрішню поверхню циліндрів стійких проти спрацювання, корозійностійких та інших покриттів із металів та їх сполук. Пристрій для нанесення покриттів у вакуумі містить співвісно розташовані катод та анод, який має корпус у вигляді герметичного пустотілого циліндра, виконаного з немагнітного матеріалу, а також водоохолоджувану магнітну систему, розташовану в нижній частині корпуса анода. До торцевої частини магнітної системи співвісно їй приєднаний фокусуючий магнітопровід у вигляді зрізаного конуса. На верхній частині корпусу анода встановлені патрубки подачі та відводу води. Всередині корпусу анода коаксіально циліндричній частині корпусу розміщена трубка, один кінець якої з'єднаний із патрубком для подачі води, а інший знаходиться поблизу постійного магніту. Корпус пустотілого катода має форму циліндра верхня відкрита частина якого звернена до анода. Нижня частина циліндричного корпусу катода приєднана до основи, яка з'єднана з тримачем у вигляді трубки, закріпленої на ізоляторі, всередині якої розміщений розпилювальний елемент. Нижній торець розпилювального елемента приєднаний до механізму його переміщення вздовж осі катода, а верхній - розташований співвісно аноду, поблизу фокусуючого магнітопроводу. Циліндричний корпус катода виконаний із сітки, і довжиною, що дорівнює відстані від основи циліндричного корпусу катода до верхнього торця розпилювального елементу.

Description

Винахід стосується іонно-плазмової техніки і може бути використаний для нанесення на внутрішню поверхню циліндрів стійких проти спрацювання, корозійностійких та інших покриттів із металів та їх сполук.

Відомий пристрій для іонно-плазмового розпилення матеріалів у вакуумі, що містить анод, циліндричний катод з розпилюваною частиною у вигляді зрізаного конусу, встановлену співвісно катоду в корпусі анода водоохолоджувану магнітну систему у вигляді постійного магніту циліндричної форми з наскрізним осьовим отвором, в якому розташована проволока, що подається в область розряду |див. патент України на винахід Мео57940А, МПК С23С14/35, 15.07.2003.

Цей пристрій не забезпечує достатньо велику площу розпилення матеріалу для формування покриття. Крім того переважна частина атомів, які розпилені з обмеженої за площею торцевої частини пустотілого катода, конденсується на його внутрішній поверхні, а не на внутрішній поверхні труби. Пристрій також не дозволяє розпилювати водночас декілька матеріалів та отримувати покриття зі змінним елементним складом, а розігрівання електронами проволоки, що подається в область розряду з аноду, приводить до випаровування атомів з низькою енергією (50.1 еВ). В свою чергу низька енергія атомів, що конденсується, не забезпечує необхідну адгезію покриттів на внутрішні поверхні труби та гомогенізацію необхідних сполук.

Найближчим до запропонованого винаходу, який обраний прототипом, є пристрій для нанесення покриттів у вакуумі, що містить співвісно розташовані катод та анод, який має корпус у вигляді герметичного пустотілого циліндра, виконаного з немагнітного матеріалу, а також водоохолоджувану магнітну систему, розташовану в нижній частині корпуса анода, до торцевої частини магнітної системи співвісно їй приєднаний фокусуючий магнітопровід у вигляді зрізаного конуса, на верхній частині корпусу анода встановлені патрубки подачі та відводу води, а всередині корпусу анода коаксіально циліндричній частині корпусу розміщена трубка, один кінець якої з'єднаний із патрубком для подачі води, а інший знаходиться поблизу постійного магніту, корпус пустотілого суцільного катода має форму циліндра верхня відкрита частина якого звернена до анода, а нижня частина корпусу катода приєднана до основи, яка з'єднана з тримачем у вигляді трубки, закріпленої на ізоляторі, всередині якої розміщений

Зо розпилювальний елемент, нижній торець якого приєднаний до механізму його переміщення вздовж осі катода, а верхній - розташований соосно аноду, поблизу фокусуючого магнітопроводу. |див. патент України на винахід Ме57940А, МПК С23С14/35, 15.07.2003).

Відомий пристрій не дозволяє формувати покриття за рахунок розпилення частини розпилювального елементу, що знаходяться всередині пустотілого суцільного корпусу катоду, що також не дозволяє підвищувати осаджувані на внутрішні поверхні труби потоки розпилених атомів шляхом зниження тисків робочого газу при збереженні високого струму розряду.

В основу винаходу поставлена задача вдосконалення пристрою для нанесення покриттів у вакуумі на внутрішні поверхні труб шляхом модифікації його конструкції, що дозволяє зменшити час нанесення покриття на всю внутрішню поверхню труби за умови, коли її довжина перевищує довжину розпилювального елементу, за рахунок збільшення довжини розпилювального елементу, розпилені атоми якого конденсуються на внутрішній поверхні труби, а також за рахунок зменшення довжини вільного пробігу розпилених атомів при зниженні тиску робочого газу.

Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для нанесення покриттів у вакуумі, що містить співвісно розташовані катод та анод, який має корпус у вигляді герметичного пустотілого циліндра, виконаного з немагнітного матеріалу, а також водоохолоджувану магнітну систему, розташовану в нижній частині корпуса анода, до торцевої частини магнітної системи співвісно їй приєднаний фокусуючий магнітопровід у вигляді зрізаного конуса, на верхній частині корпусу анода встановлені патрубки подачі та відводу води, а всередині корпусу анода коаксіально циліндричній частині корпусу розміщена трубка, один кінець якої з'єднаний із патрубком для подачі води, а інший знаходиться поблизу постійного магніту, корпус пустотілого катода має форму циліндра верхня відкрита частина якого звернена до анода, а нижня частина корпусу катода приєднана до основи, яка з'єднана з тримачем у вигляді трубки, закріпленої на ізоляторі, всередині якої розміщений розпилювальний елемент, нижній торець якого приєднаний до механізму його переміщення вздовж осі катода, а верхній - розташований соосно аноду, поблизу фокусуючого магнітопроводу, відповідно до винаходу, циліндричний корпус катода виконаний із сітки, і довжиною, що визначена відстанню від основи корпусу катода до верхнього торця розпилювального елементу.

Використання пристрою, що заявляється, у сукупності зі всіма істотними ознаками, 60 включаючи відмітні дозволяє отримувати покриття за рахунок розпилення усього розпилювального елементу, що знаходяться в всередині циліндричного корпусу катоду. Це досягається використанням циліндричного корпусу катоду, виготовленого із сітки. При цьому циліндричний корпус катода із сітки виконує ті ж функції, що їі суцільний, так як потенціал сітки не дозволяє електронам виходити за межі об'єму циліндричного корпусу катоду. Разом з тим, атоми, що розпилюються із розпилювального елементу проходять через сітку і конденсуються на внутрішній поверхні труби. Довжина розпилювального елементу при використанні циліндричного корпусу катоду із сітки може сягати 140 мм, що дозволяє водночас формувати покриття на значній площі внутрішньої поверхні труби, довжиною, що приблизно співпадає з довжиною розпилювальнного елементу. Експериментально встановлено, що при використанні суцільного циліндричного корпусу катоду оптимальна довжина частини розпилювального елементу, що виходить за межі суцільного циліндричного корпусу катоду, становить приблизно 25 мм. На основі розпилення цієї довжини розпилювального елементу і формується покриття на внутрішній поверхні труби. При цьому довжина труби, на поверхні якої водночас формується покриття теж складає приблизно 25 мм. Розпилення частини розпилювального елементу, що знаходяться всередині суцільного циліндричного корпусу катоду, призводе до осадження атомів на його внутрішній частині. В разі збільшення частини розпилювального елементу, що виступає над суцільним циліндричним корпусом катода понад 25 мм, необхідно підвищувати тиск робочого газу понад 9,5 Па, що призводе до розсіювання розпилених атомів на молекулах робочого газу і до відповідного зменшення потоку розпилених атомів, що конденсуються на внутрішній поверхні труби. За умови, коли довжина труби для нанесення покриття перевищує довжину розпилювального елементу і є необхідність нанесення покриття на всю внутрішню поверхню труби, остання переміщується відносно розпилювального елементу. Виходячи з того, що, залежно від структури сіток, втрати потоку розпилених атомів за рахунок їх зіткнення з матеріалом сітки не перевищують 23 95, а довжина розпилювального елементу для отримання покриття при переході від суцільного циліндричного корпусу катоду до корпусу катоду із сітки, відповідно, збільшується від 25 до 140 мм, тобто приблизно на 560 95, час нанесення покриття необхідної товщини на всю внутрішню поверхню труби, за умови використання циліндричного корпусу катода із сітки, скорочується. З другого боку використання циліндричного корпусу катоду із сітки, довжиною, що визначена відстанню від основи корпусу катода до верхнього торця розпилювального елементу, дозволяє знизити тиск робочого газу до З Па при збереженні високих токів розряду. Таке зниження тиску робочого газу дозволяє знизити розсіювання розпилених атомі на молекулах робочого газу і, тим самим, збільшити осаджуваний потік розпилених атомів. Це досягається завдяки збільшенню довжини вільного пробігу розпилених атомів від поверхні розпилювального елементу до внутрішньої поверхні труби. Так, в разі використання суцільних циліндричних корпусів катоду, тиск робочого газу, за умови виходу розпилювального елементу з циліндричного корпусу катода на 25 мм, повинен перевищувати 9,5 Па. При таких тисках робочого газу довжина вільного пробігу розпилених атомів не перевищує 30 мм. У разі використання циліндричного корпусу катода із сітки, довжина якого співпадає з довжиною розпилювального елементу, тиск робочого газу при збереженні струму розряду знижується до З Па, що збільшує довжину вільного пробігу розпилених атомів приблизно до 50 мм. Таким чином, в разі нанесення покриттів на внутрішні поверхні труб з радіусами понад 30 мм при тиску робочого газу 9.5 Па і при використанні суцільних циліндричних корпусів катода, частина розпилених атомів буде розсіюватися на молекулах робочого газу і змінювати траєкторію руху на протилежний. Такі технологічні умови зменшують потік речовини, що конденсується, а використання циліндричного корпусу катода із сітки довжиною, що визначена відстанню від основи корпусу катода до верхнього торця розпилювального елементу, дозволяє знизити тиск робочого газу і, як наслідок, зменшити розсіювання розпилених атомів на молекулах робочого газу і тим самим підвищити швидкість нанесення покриття або зменшити час технологічного процесу.

На Фіг. зображена схема пристрою, що заявляється.

Пристрій для нанесення покриттів у вакуумі містить співвісно розташовані анод 1, катод 2 та установлену співвісно їм водоохолоджувану магнітну систему 3. Анод 1 складається із герметичного циліндричного корпусу 4. В нижній частині циліндричного корпусу 4 аноду 1 розміщена водоохолоджувана магнітна система 3, що складається із однієї секції циліндричного постійного магніту, до торця якого співвісно приєднаний фокусуючий магнітопровід 5, виконаний з магнітом'якого матеріалу у вигляді зрізаного конусу. Магнітопровід 5 та нижній звужений торець герметичного циліндричного корпусу 4 аноду 1 приварені один до одного. На верхній частині герметичного циліндричного корпусу4 анода розташовані патрубки 6 та 7, що служать відповідно для подачі та відводу води. Трубка 8, розташована всередині герметичного бо циліндричного корпусу 4 анода 1 коаксіально його циліндричній поверхні, служить для підводу води до магнітної системи 3. Один кінець трубки 8 з'єднаний з патрубком 6 для подачі води, а інший знаходиться поблизу магніту 3.

Катод 2 має циліндричний корпус 9 катоду, що виготовлений із сітки і закріплений на основі 10, тримача 11 у вигляді трубки, який приєднаний до основи 10 та спирається на ізолятор 12.

При цьому циліндричний корпус катода 9 має довжину, що визначена відстанню від основи корпусу катода 10 до верхнього торця розпилювального елементу 13 у вигліді стрижня, який розташований всередині трубчатого тримача 11. Верхній торць розпилювального елемента 13 у вигляді стрижня знаходяться біля фокусуючого магнітопроводу 5, а нижня частина розпилювального елемента приєднана до механізму його переміщення 14. Довжина розпилювального елемента 13, що в нашому випадку складається із стрижня та визначається відстанню від основи 10 до загостреного торця розпилювального елемента 13 призначена для розпилення і отримання покриття 15 на внутрішній поверхні труби 16. За допомогою джерела живлення 17 створюється різниця потенціалів між катодом і анодом.

Пристрій працює наступним чином.

Попередньо в об'ємі вакуумної камери, де знаходиться розпилювальний пристрій, створюють технологічний вакуум. Після відкачки роблять проточний напуск робочого газу, наприклад, аргону, до тиску З Па (окрім інертних газів, можна провести напуск реактивних газів -

О», Мг, СН» і т.д. - якщо потрібно отримати відповідні сполуки). Нижній торець труби 16 повинен бути розміщений на рівні магнітної системи 3. Далі за допомогою блоку живлення 17 подають напругу між катодом 2 ї анодом 1. Виникає тліючий розряд, який підтримується при відносно високих струмах за рахунок магнетронного ефекту та ефекту пустотілого катоду. При цьому всередині пустотілого корпусу 9 катода 2 формується плазма с підвищеним коефіцієнтом іонізації. Позитивні іони цієї плазми бомбардують розпилювальний елемент 13, що призводить до його розпилення. При цьому використання циліндричного корпусу 9 катода 2 у вигляді сітки довжиною, що визначена відстанню від основи корпусу катода 10 до верхнього торця розпилювального елементу 13 визначає зниження тиску робочого газу до З Па при збереження струму розряду. Поряд з цим завдяки розігріву циліндричного корпусу катода 9, а також розпилювального елементу 13, з їх поверхні відбувається термоемісія електронів, що підсилюється прикладеним до катода 2 від'ємним потенціалом. В свою чергу поява додаткового джерела електронів обумовлює більш інтенсивну іонізацію робочого газу і відповідне підвищення струму розряду та процесу розпилення елементу 13.

Після знегажування пристрою, стабілізації розряду та попереднього розігріву труби 16 її переміщують вниз. Потік розпиленої речовини, що проходе через сітку циліндричного корпусу катода 9, осаджується на внутрішній поверхні труби в вигляді покриття 15. За потребою механізмом 14 проводять переміщення розпилювального елементу 13 в міру його розпилення.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Пристрій для нанесення покриттів у вакуумі, що містить співвісно розташовані катод та анод,

   який має корпус у вигляді герметичного пустотілого циліндра, виконаного з немагнітного матеріалу, а також водоохолоджувану магнітну систему, розташовану в нижній частині корпусу анода, до торцевої частини магнітної системи співвісно їй приєднаний фокусуючий магнітопровід у вигляді зрізаного конуса, на верхній частині корпусу анода встановлені патрубки подачі та відводу води, а всередині корпусу анода коаксіально циліндричній частині корпусу,

   розміщена трубка, один кінець якої з'єднаний із патрубком для подачі води, а інший знаходиться поблизу постійного магніту, корпус пустотілого катода має форму циліндра, верхня відкрита частина якого звернена до анода, а нижня частина циліндричного корпусу катода приєднана до основи, яка з'єднана з тримачем у вигляді трубки, закріпленої на ізоляторі, всередині якої розміщений розпилювальний елемент, нижній торець якого приєднаний до механізму його переміщення вздовж осі катода, а верхній - розташований співвісно аноду, поблизу фокусуючого магнітопроводу, який відрізняється тим, що циліндричний корпус катода виконаний із сітки і довжиною, що дорівнює відстані від основи циліндричного корпусу катода до верхнього торця розпилювального елемента.