UA77914C2

UA77914C2 - Method for ion-plasma sputtering electricity-conductive coatings

Info

Publication number: UA77914C2
Application number: UAA200511679A
Authority: UA
Inventors: Oleksandr Vitaliiov Zolotukhin; Oleh Nykyforovych Mustiatsa; Eduard Karpovych Posviatenko; Mykola Mykolaiovych Dmytriiev; Oleksandr Oleksandr Zolotukhin
Original assignee: Univ Nat Transp
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2005-12-08
Publication date: 2007-01-15

Abstract

The invention relates to ion-plasma spraying of low voltage coatings on electric conductive articles for giving anticorrosion and decorative properties. The method consists in that on articles electronic and ion parts of gas quasi neutral plasma are supplied spaced in time at constant frequency, giving and changing potential of reference voltage on articles from positive to negative one. During action of negative potential ion part of plasma is directed on articles, during action of positive one electron part is directed. Time of action of positive potential relative to time of action of negative potential is set depending on programmable elasticity of coating at a ratio between 1:1 and 1:10, and amplitude is set between 50 and 500 V. The proposed method allows to obtain well adhesive coating.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до області іонно-плазмового напилювання і може бути використаний при нанесенні 2 захисних і декоративних покриттів на різні вироби.The invention relates to the field of ion-plasma spraying and can be used when applying 2 protective and decorative coatings to various products.

Відомі способи вакуумного іонно-плазмового напилювання матеріалів під дією високоенергетичних плазмових і іонних потоків, що засновані на процесах генерації матеріалу катодною плямою вакуумної дуги - потужнострумового низьковольтного розряду, що розвивається винятково в парах матеріалу катода (11.There are known methods of vacuum ion-plasma sputtering of materials under the action of high-energy plasma and ion streams, which are based on the processes of material generation by the cathode spot of a vacuum arc - a high-current low-voltage discharge that develops exclusively in pairs of the cathode material (11.

Найближчим за технічною суттю є спосіб викладений у (21. 70 Для реалізації способа використовують вакуумну камеру, випарники з катодом і анодом, вузол підпалювання вакуумної дуги, арматуру з нагрівачами для виробів, що підлягають напилюванню, засоби іонного очищення, відкачну вакуумну систему, блоки живлення і управління, блок опорної напруги, фокусуючі соленоїди та ін.The closest in terms of technical essence is the method described in (21. 70) To implement the method, a vacuum chamber, evaporators with a cathode and anode, a vacuum arc ignition unit, fittings with heaters for products to be sprayed, ionic cleaning agents, a pumping vacuum system, power supply units are used and control, reference voltage unit, focusing solenoids, etc.

Процес нанесення покриттів полягає в переведенні матеріалу катоду (наприклад титану) у плазмовий стан (при тиску у камері -2.107Па), прискоренні руху квазінейтральної металевої плазми в напрямку арматури з виробами, т забезпеченні плазмохімічної реакції з реактивним газом (М»о, О» - азотом, або киснем ) для синтезу нітриду або оксиду титану (ТІМ, ТіО»). Технологічний алгоритм виглядає таким чином: в камері створюється робочий тиск 74.1071Па реактивного газу при накладанні силової напруги (біля - 708 між анодом і катодом) і ініціюванні розряду за допомогою вузла підпалювання, між анодом і катодом виникає дуговий електричний розряд. При цьому відбувається ерозія катоду в катодних мікроплямах. Матеріал катоду з великою енергією і швидкістю біля км/с викидається з мікроплямами у вигляді так званих катодних струменів. Металева плазма, що утворюється в процесі генерації, в результаті взаємодії з електричним і магнітними полями додатково іонізується, частково автосепарується і її рух прискорюється за рахунок негативного потенціалу, що прикладається до арматури з виробами; позитивні іони при влученні на вироби додатково прискорюються в дебаєвському подвійному шарі суThe process of applying coatings consists in transferring the material of the cathode (for example, titanium) to the plasma state (at a pressure in the chamber of -2.107Pa), accelerating the movement of quasi-neutral metal plasma in the direction of the armature with products, and ensuring a plasma-chemical reaction with a reactive gas (M»o, О» - nitrogen or oxygen) for the synthesis of titanium nitride or titanium oxide (TIM, TiO"). The technological algorithm looks like this: a working pressure of 74.1071 Pa of reactive gas is created in the chamber when a power voltage is applied (near - 708 between the anode and the cathode) and the discharge is initiated with the help of the ignition unit, an electric arc discharge occurs between the anode and the cathode. At the same time, cathode erosion occurs in cathode microspots. The material of the cathode with great energy and a speed of about km/s is ejected with microspots in the form of so-called cathode jets. As a result of the interaction with electric and magnetic fields, the metal plasma formed in the generation process is additionally ionized, partially autoseparates, and its movement is accelerated due to the negative potential applied to the armature with the products; positive ions, upon hitting the products, are additionally accelerated in the Debye double layer of SU

Подача в камеру азоту (або кисню) призводить до плазмохімічної реакції з утворенням нітриду (оксиду) титану, що конденсується на виробах. і9)Feeding nitrogen (or oxygen) into the chamber leads to a plasma-chemical reaction with the formation of titanium nitride (oxide), which condenses on the products. i9)

Одержані вище приведеним способом покриття мають ряд недоліків, найістотнішим з них є надмірна напруженість, що при товщі покриття більше як 5-7мкм розтріскуються. Для придания покриттям еластичності вдаються до багатошарових покриттів ІЗ). Наприклад ТітімктітіМ ж... у співвідношенні по товщині 1:10 (0,1мкм «КЕ Тінмкм ТІМ), а також Со, 2тг та ін. (4). Однак природа явища залишається незмінною, тому що конденсуючись на виробах іонно-плазмовий потік позитивних іонів формує недосконалі шари плівок, у яких нагромаджуються -- дефекти структури, вакансії і дислокації. Наявні у плазмі електрони переходять до стінок камери, яка має Ге») позитивний (нульовий потенціал).Coatings obtained by the above method have a number of disadvantages, the most significant of which is excessive tension, which cracks when the thickness of the coating is more than 5-7 microns. In order to give elasticity to the coating, multi-layer coatings are used (IZ). For example, TitimktitiM... in the thickness ratio of 1:10 (0.1μm "KE Tinmkm TIM), as well as So, 2tg, etc. (4). However, the nature of the phenomenon remains unchanged, because the ion-plasma flow of positive ions condensing on the products forms imperfect layers of films in which structure defects, vacancies and dislocations accumulate. The electrons present in the plasma pass to the walls of the chamber, which has a positive (zero potential).

В основу винаходу поставлена задача одержання плівок надтвердих матеріалів керованої напруженості (або в еластичності). Для виконання цієї задачі пропонується новий спосіб нанесення іонно-плазмових покриттів ча програмованої еластичності, у якому відбувається фізичне конденсування покриття із газової фази іонізованої пари квазінейтральної плазми; при цьому на вироби подають електронну і іонну частини газової плазми рознесеними у часі зі сталою частотою (наприклад, промислової частоти), змінюючи потенціал опорної напруги позитивний на негативний, при цьому час дії позитивного потенціалу до часу дії негативного потенціалу може « 70 бути змінений у різному співвідношенні. Таким чином, спосіб, що пропонується, дозволяє у режимі так званої шThe invention is based on the task of obtaining films of superhard materials of controlled tension (or elasticity). To fulfill this task, a new method of applying ion-plasma coatings with programmable elasticity is proposed, in which the coating is physically condensed from the gas phase of the ionized vapor of a quasi-neutral plasma; at the same time, the electronic and ionic parts of the gas plasma are applied to the products spaced in time with a constant frequency (for example, industrial frequency), changing the potential of the reference voltage from positive to negative, while the time of action of the positive potential to the time of action of the negative potential can be changed in different ratios Thus, the proposed method allows in the mode of the so-called sh

Гані широтно-імпульсної і амплітудної модуляції обробляти вироби електронною і іонною частинами газової квазінейтральної плазми, рознесеними у часі. Обробка електронними потоками (при подачі на вироби позитивного )» потенціалу, дозволяє зняти надмірне напруження у конденсованому шарі покриття). При цьому частина електронів рекомбінується і деяка частина атомів покриття із іонів перетворюється у нейтральні атоми (5).In the case of pulse-width and amplitude modulation, products are treated with electronic and ion parts of a gas quasi-neutral plasma spaced in time. Treatment with electronic flows (when a positive potential is applied to the products, allows to remove excessive tension in the condensed layer of the coating). At the same time, part of the electrons recombines and some of the coating atoms turn from ions into neutral atoms (5).

Спосіб реалізовано на стандартному обладнанні, наприклад, установці ВУ2 МБС із модернізацією блока -І опорної напруги, який може генерувати різнополярні імпульси керовані за амплітудою і часом дії, які мають сталу частоту (наприклад, 50 або 100 Гц). При цьому один полюс генератора закріплюється на камері, а другий 7 на арматурі з виробами. (Те) Технологічний алгоритм в основному відповідає вищенаведеному (21), за винятком деяких робочих стадій: у шу 50 камеру завантажуються вироби, що підлягають напилюванню; проводять вакуумування до тиску 72.1072Па, далі нагрівають їх до температури х2509С, потім в атмосфері інертного газу проводять іонну чистку у режиміThe method is implemented on standard equipment, for example, the VU2 MBS installation with the modernization of the reference voltage unit -I, which can generate multipolar pulses controlled by the amplitude and duration of action, which have a constant frequency (for example, 50 or 100 Hz). At the same time, one pole of the generator is fixed on the chamber, and the other 7 on the armature with products. (Te) The technological algorithm basically corresponds to the above (21), with the exception of some working stages: products to be sprayed are loaded into the shu 50 chamber; vacuum is carried out to a pressure of 72.1072 Pa, then they are heated to a temperature of x2509С, then in an inert gas atmosphere, ion cleaning is carried out in the mode

Я» активного тліючого розряду (при напрузі на виробах - 15008 по відношенню до камери т).I" of an active glow discharge (when the voltage on the products is 15008 in relation to the chamber t).

Після цього переходять до іонно-плазмової чистки виробів у парах, що генеруються електродуговим титановим випарником із током «180А, а на вироби від блоку опорної напруги подають різнополярні імпульси, керовані за амплітудою і часом дії, які мають сталу частоту 5ОГц. При цьому за час дії негативного імпульсу на вироби о спрямовується іонна частина квазінейтральної плазми, а за час дії позитивного імпульсу на вироби спрямовується електронна частина квазінейтральної плазми. При чому час дії імпульсів відноситься як 1:1 таким іме) чином 1Омс позитивний, 1Омс негативний; а амплітуда обох імпульсів плавно зростає у часі від 50 до 5008 за час, приблизно 5хв. Далі амплітуду встановлюють у діапазоні 50 - 15088 і подають реактивний газ азот. Час 60 реактивного напилювання приблизно 30-60 хвилин, товщина покриття ТІМ, приблизно 3-бмкм.After that, they proceed to ion-plasma cleaning of the products in pairs generated by an electric arc titanium vaporizer with a current of 180A, and the products are supplied with multipolar pulses controlled by the amplitude and duration of action, which have a constant frequency of 5ΩHz, from the reference voltage unit. At the same time, during the action of the negative pulse, the ionic part of the quasi-neutral plasma is directed at the products, and during the action of the positive pulse, the electronic part of the quasi-neutral plasma is directed at the products. What is more, the duration of the pulses is related as 1:1, i.e. 1 Ohms is positive, 1 Ohms is negative; and the amplitude of both pulses increases smoothly in time from 50 to 5008 in time, approximately 5 min. Next, the amplitude is set in the range of 50 - 15088 and nitrogen reactive gas is supplied. The time of 60 reactive sputtering is approximately 30-60 minutes, the thickness of the TIM coating is approximately 3-bm.

Сформоване таким чином покриття має значно досконалішу структуру, що не має надмірного напруження у конденсованому шарі за рахунок того, що частина електронів рекомбінують і деяка частина атомів покриття із іонів стають нейтральними.The coating formed in this way has a much more perfect structure, which does not have excessive stress in the condensed layer due to the fact that some of the electrons recombine and some of the atoms of the ion coating become neutral.

Джерела інформації: 65 1. Дороднов А.М., Петросов В.А. Про фізичні принципи і типи вакуумних технологічних плазмових пристроївSources of information: 65 1. Dorodnov A.M., Petrosov V.A. About the physical principles and types of vacuum technological plasma devices

Журнал технічної фізики. - Т. 51.-Вип.3.-1981.Journal of technical physics. - Vol. 51.-Issue 3.-1981.

2. Патент Великобританії Мо 1322670. - 1973 р. 3. Патент України Мо 11269. - 1996 р. 4. Патент РФ Мо 2061090, МПК 6 С 23 С 14/32, опубл. 27.05.1996г.2. Great Britain patent Mo 1322670. - 1973. 3. Ukrainian patent Mo 11269. - 1996. 4. Russian patent Mo 2061090, IPC 6 C 23 C 14/32, publ. 05/27/1996

Бюл.Bul.

Мо 15. 5. Плазменннієе ускорители.Mo 15. 5. Plasma accelerators.

Под ред.Ed.

Л.L.

А.AND.

Арцимовича.-М.: Машиностроение.-1973Г.Artsymovicha.-M.: Mashinostroenie.-1973.

Claims

Formula of the invention 70 Method of ion-plasma sputtering of electrically conductive coatings of programmable elasticity, which is characterized by the fact that electronic and ionic parts of gas quasi-neutral plasma are applied to the products spaced in time with a constant frequency, applying and changing the potential of the reference voltage on the products from positive to negative, while during the action of the negative potential, the ionic part of the quasi-neutral plasma is directed to the products, and during the action of the positive - the electronic part, the time of the action of the positive potential to y5 of the time of the action of the negative potential is set depending on the programmed elasticity of the coating. in the ratio from 1:1 to 1:10, and the amplitude from 50 to 500 V.

Official bulletin "Industrial Property". Book 1 "Inventions, useful models, topographies of integrated microcircuits", 2007, M 1, 15.01.2007. State Department of Intellectual Property of the Ministry of Education and Science of Ukraine. with io) "

"- (22) cha i - Z c i"

-I -I se) - 50 s»

F) name) 60 b5