Устройство для обработки материалов

 

Использование: для плазменной обработки материалов, в частности для нанесения защитного покрытия. Сущность изобретения: устройство для обработки материалов содержит вакуумный сосуд 1 для размещения обрабатываемого материала, снабженный газовым вводом и генератор микроволновой энергии, расположенный вне вакуумного сосуда. Вакуумный сосуд 1 снабжен окном 7 для прохождения микроволновой энергии, вырабатываемой генератором. Внутри вакуумного сосуда расположена микроволновая антенна 12, примыкающая к окну 7, и магнитная система 15, расположенная вблизи микроволновой антенны с возможностью создания локальных электронно-циклотронных резонансов. Магнитная система 15 содержит держатель в виде стержня из магнитомягкого материала, выполненного с параллельными плоскими поверхностями, на которых размещены отдельные магниты в виде рядов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Полюсные концы ближайших магнитов соседних рядов имеют противоположную полярность. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройствам для обработки материалов, в частности, для нанесения защитного слоя на поверхность оптических рефлекторов.

Из патента ФРГ N 2625448 известен способ покрытия оптических рефлекторов, предпочтительно с осажденным из паров алюминиевым отражающим слоем, полимерным слоем из плазмы для защиты от коррозии. Для этого рефлекторы в вакуумном сосуде подвергаются воздействию паров мономера органического соединения, предпочтительно кремний-органического вещества, и защитный слой получают посредством полимеризации из паровой фазы с помощью излучения из вынужденного тлеющего разряда с использованием накаленной вольфрамовой проволоки. Получаемая при этом скорость осаждения слоя часто недостаточна для получения необходимой для защиты от действия водного конденсата минимальной толщины слоя.

Далее следует учитывать, что должна быть достигнута не только минимально необходимая толщина слоя, но что на особо подверженных воздействиям частях рефлектора, напр. на плоскостях, нельзя превышать максимальной толщины пленки. Начиная с толщины примерно 70 нм, в противном случае могут возникнуть мешающие интерференционные цвета, так как фазовая зависимость для мешающей интерференции в синем цвете уже выполняется (коэффициент преломления защитного слоя n примерно 1,5). При этом рефлектор не выполняет требований к качеству, поэтому отношение между наибольшей толщиной защитного слоя, например, на передних плоских поверхностях рефлектора, и наименьшей толщиной, например, в области шейки колбы лампы, также и в глубоких рефлекторах, должно составлять максимум 2,8 1. В противном случае требуемая стойкость к водному конденсату в течение более нескольких сотен часов недостижима без оптических ухудшений за счет интерференционных цветов.

Это условие предлагаемым способом (вынужденным тлеющим разрядом с вольфрамовой нитью накала) часто не выполняется. Причина недостаточного во многих случаях распределения толщин заключается в сравнительно высоком для экономичного осаждения покрытий давлении порядка 10^-3 10^-2 миллибар, при котором длина свободного пробега реагирующего вещества получается меньше, чем глубина подлежащего покрытию рефлектора. Еще одним недостатком этого способа является сравнительно высокая стоимость вследствие расхода вольфрамовых нитей накала.

Из литературы известны способы возбуждения плазмы с особо высоким кпд, которые в принципе допускают снижение давления до примерно 10^-5 миллибар. К ним принадлежит возбуждение плазмы по способу электронно-циклотронного резонанса (ЕСР) при частотах возбуждения в гигагерцовом диапазоне. Так как длина свободного пробега реагирующего вещества при таких низких давлениях значительно превышает глубину подлежащих покрытию деталей, следует ожидать значительного снижения разброса толщин покрытия на рефлекторах.

Из выложенной заявки ФРГ N 3705666 известно устройство для возбуждения плазмы и для обработки субстратов в этой плазме. Возбуждаемая с помощью микроволн плазма служит для того, чтобы покрыть субстрат, находящийся в эвакуированном сосуде. С помощью постоянных магнитов, установленных по соседству с покрываемыми субстратами, возможно внутри сосуда создать электронно-циклотронный резонанс, который позволяет локально зажигать плазму (в указанной заявке ФРГ 3705666 основы электронно-циклотронного резонанса подробно рассмотрены). Для ввода микроволнового излучения в боковой стенке сосуда выполнено простирающееся по длине сосуда большое прямоугольное окно, которое герметично закрыто кварцевым стеклом. Для этого сосуд приходится разрезать практически на всю его длину. За окном на очень малом расстоянии от покрываемого субстрата крепится замкнутая конфигурация из магнитов, для возбуждения там плазмы ЕСР. Устройство также годится для покрытия объемных трехмерных предметов.

Из французского патента N 3583250 известно устройство для обработки носителей в возбужденной микроволнами газовой плазме, с имеющим газовой ввод вакуумным сосудом для размещения подлежащих обработке носителей и с генератором микроволновой энергии, находящимся вне сосуда. Вакуумный сосуд снабжен окном для прохождения микроволновой энергии, вырабатываемой генератором, а также примыкающей к окну микроволновой антенной, которая проходит внутрь вакуумного сосуда. Внутри сосуда расположена магнитная система с возможностью создания локального электронно-циклотронного резонанса, за счет чего на периферии вакуумного сосуда образуется замкнутое магнитное поле. Магнитная система состоит из нескольких рядов отдельных магнитов, однако не гарантирует, что в центре вакуумного сосуда возникнет магнитное поле той же интенсивности.

Задача изобретения создание устройства для обработки материалов, которое обеспечило бы более равномерное покрытие искривленных поверхностей при сокращении времени нанесения покрытия.

Задача решается тем, что в устройстве для обработки материалов, в возбужденной микроволновой энергией газовой плазме, содержащем имеющий газовый ввод вакуумный сосуд для размещения обрабатываемого материала и генератор микроволновой энергии, расположенный вне вакуумного сосуда, причем вакуумный сосуд снабжен окном для прохождения микроволновой энергии, вырабатываемой генератором, а внутри вакуумного сосуда расположена микроволновая антенна, примыкающая к окну, и магнитная система, расположенная с микроволновой антенной с возможностью создания локальных электронно-циклотронных резонансов, согласно изобретению магнитная система содержит держатель в виде стержня из магнитомягкого материала, выполненного с параллельными плоскими поверхностями, на которых размещены отдельные магниты в виде рядов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, причем полюсные концы ближайших магнитов соседних рядов имеют противоположную полярность.

Целесообразно, чтобы в устройстве согласно изобретению, микроволновая антенна состояла из волновода, расположенного в направлении продольной оси вакуумного сосуда.

Целесообразно, чтобы в устройстве согласно изобретению микроволновая антенна одним своим концом была прикреплена к внутренней стороне вакуумного сосуда.

Удобно, чтобы в устройстве согласно изобретению микроволновая антенна имела секцию волновода, закрывающую изнутри выполненное в вакуумном сосуде окно.

Выгодно, чтобы в устройстве согласно изобретению окно для прохождения микроволновой энергии внутрь вакуумного сосуда было выполнено в торцевой стенке сосуда.

Удобно, чтобы в устройстве согласно изобретению окно было расположено в центральной части торцевой стенки.

Целесообразно, чтобы в устройстве согласно изобретению окно было выполнено в съемной крышке, закрывающей отверстие торцевой стенки.

Выгодно, чтобы в устройстве согласно изобретению в вакуумном сосуде была расположена по меньшей мере одна электрически нагреваемая испаряющаяся проволока для первичного осаждения металла из пара на подлежащие обработке материалы, токоподводящие провода которой проведены через торцевую стенку сосуда, содержащую окно.

Удобно, чтобы в устройстве согласно изобретению проходные отверстия для токоподводящих проводов были выполнены в крышке, имеющей окно.

Изобретение поясняется более подробно с помощью чертежей на примере исполнения изобретения, на которых представлены: На фиг. 1 схематично устройство для обработки pефлекторов фар в продольном разрезе; на фиг. 2 поперечный разрез устройства по фиг. 1; на фиг. 3 схематично устройство магнитной системы.

На фиг. 1 и 2 изображен вакуумный сосуд 1 с длинным цилиндрическим кожухом 2, который с торцов закрыт стенками 3 или 4. Торцовая стенка 4 выполнена в виде герметически закрываемой двери, которая в открытом положении позволяет загружать в сосуд 1 обрабатываемый материал. Из кожуха 2 может через штуцер 5 откачиваться воздух с помощью не показанного вакуумного насоса. Нанесение покрытия производится посредством парообразного мономера, который вводится в сосуд 2 через штуцер 6, и там ионизируется. Мономер или смесь мономеров является, например, химическим соединением из группы силоксанов и силанов, указанным в патенте ФРГ N 2625448.

Другая торцовая стенка 3 кожуха 2 оборудована проходным окном 7 для микроволновой энергии, которое закрыто пластинкой из пропускающего микроволновое излучение материала, например, кварцевого стекла. Окно 7 выполнено в съемной крышке 9, которая закрывает отверстие 10 доступа внутрь сосуда. Отверстие 10 в примере исполнения расположено в центре торцевой стенки 3, а окно 7 в центре крышки 9.

Генерируемое микроволновым генератором 11 излучение через стекло 8 в окне 7 вводится в микроволновую антенну 12. В принципе в качестве микроволновой антенны возможны многие формы исполнения, такие, например, как рупор, щелевые антенны или антенны со штифтами связи. Микроволновая антенна, как видно из фиг. 1, выполнена в виде трубы, проходящей по центру и расположенной по продольной оси кожуха 2. Одним концом микроволновая антенна 12 крепится к внутренней части крышки 9, причем этот конец в виде волновода 13 полностью закрывает окно 7 и стекло 8. Это предотвращает образование на стекле осадков, которые отражали бы микроволновую энергию и за этот счет снижали бы мощность. Такая защита для стекла особенно необходимо тогда, когда подлежащие покрытию субстраты в том же вакуумном сосуде сначала покрываются слоем металла, в частности, слоем алюминия, как это обязательно и обычно делается для рефлекторов фар. Испаряющаяся проволока 14 подключается к находящемуся вне сосуда источнику тока. Токоподводящий провод 14а для испаряющейся проволоки 14 выведен из сосуда снаружи окна 7 и стекла 8 через крышку 9.

Параллельно микроволновой антенне 12 на малом расстоянии от нее расположена магнитная система 15. С помощью этой магнитной системы 15 создается подходящее магнитное поле, которое выполняет условия электронно-циклотронного резонанса. При этом полученные путем ионизации молекул мономера электроны за счет воздействия силы Лоренца вынуждены двигаться по спиральным траекториям вокруг магнитных силовых линий. В связи с этим увеличивается вероятность ионизации газовых молекул при малом давлении в сосуде, которое весьма желательно. Магнитная система 15 укреплена на вагонетке для ввода обрабатываемых материалов, которая будет описана ниже.

Магнитная система 15 содержит держатель 27 в виде стержня из магнитомягкого материала с двумя обращенными друг к другу параллельными плоскостями, на которых в примере исполнения установлено по три отдельных постоянных магнита 28, в виде рядов на одинаковом расстоянии друг от друга, причем полюсные концы ближайших соседних рядов имеют противоположную полярность.

При выполнении условия электронно-циклотронного резонанса (плотность магнитного потока В 87,5 миллитесла при частоте микроволн f 2,45 ГГц) в обеих заштрихованных зонах 16 зажигается плазма. Если ввести полимеризуемый мономер, такой, как гексаметилдисилоксан (НИ DS (O)), то можно осадить слой полимера в условиях тлеющего разряда.

Принцип работы устройства состоит в том, что вместо обычной вольфрамовой нити накала в вакуумный сосуд нужно встроить подходящую магнитную систему. При этом исключается необходимая электрическая контактная система для накала и для подвода высокого напряжения. Посредством само по себе известной микроволновой системы излучения в установку подается микроволновая энергия, и таким образом присутствует в "скрытом" виде. При этом давление в сосуде снижается до такой величины, что по закону Пашена еще не происходит зажигание плазмы за счет обычного лавинного процесса. Только вблизи магнитной системы, где выполняются условия электронно-циклотронного резонанса, происходит "резонансный разряд в плазме". Таким образом, распределение плазмы по длине установки обеспечивается не за счет трудно реализуемого однородного распределения микроволнового поля, а за счет соответствующего магнитного поля. В отношении давления в сосуде эта концепция обозначает, что можно работать с давлениями р менее 10^-3 миллибара. Как и ожидалось, низкое давление в сосуде дает лучшее распределение толщин покрытия полимерного защитного слоя в тлеющем разряде в глубоких рефлекторах: экспериментальные величины отношения толщины покрытия между передней плоскостью рефлектора и областью шейки лампы составляет меньше 2 1.

Субстратами, на которые нужно наносить защитный полимерный слой, являются, например, рефлекторы автомобильных фар 17. Некоторое количество их известным образом устанавливают по цилиндрическому внешнему контуру планетарных клеток 18, которые, в свою очередь, расположены между двумя круглыми дисками 20 с отверстиями в середине 19 с возможностью их вращения в неизображенной раме, которая оборудована диаметрально противолежащими роликовыми устройствами 21. Каждое роликовое устройство расположено на находящемся внутри сосуда 2 рельсе 22. По этим рельсам можно вагонетку, состоящую из частей 18 и 20, загруженную субсратами, ввести с помощью роликов 21 в кожух 2 и вывести оттуда.

Привод обоих дисков производится с помощью находящихся на валу 23 роликов (или зубчаток) 24, которые входят в зацепление с наружным краем дисков. Из вращения дисков 20 может производиться также вращение клеток 18. Привод вала 23 производится моторным валом 25 через муфту сцепления 26.

Как видно из чертежей, для размещения источника покрытия 12 и 15 используется свободное место внутри вагонетки с обрабатываемыми материалами. Поэтому для частей 12 и 15 не требуется добавочного места в кожухе 2. Как следует из фиг. 2, генерируемая источником 12 и 15 плазма 16 занимает телесный угол примерно 180^o. За счет этого одновременно можно покрывать по меньшей мере два ряда рефлекторов, что заметно сокращает время нанесения покрытия. Защита стекла 8 добавочными диафрагмами и тому подобным при осаждении алюминия из пара отпадает, так как микроволновый волновод закрывает стекло. Посредством описанного устройства источника нанесения покрытия можно также и существующие установки без проблем переоборудовать на способ электронно-циклотронного резонанса.

Формула изобретения

1. Устройство для обработки материалов, содержащее вакуумный сосуд для размещения обрабатываемого материала, снабженный газовым вводом, и генератор микроволновой энергии, расположенный вне вакуумного сосуда, причем вакуумный сосуд снабжен окном для прохождения микроволновой энергии, вырабатываемой генератором, а внутри вакуумного сосуда расположена микроволновая антенна, примыкающая к окну, и магнитная система, расположенная с возможностью создания совместно с микроволновой антенной локальных электронно-циклотронных резонансов, отличающееся тем, что магнитная система содержит держатель в виде стержня из магнитомягкого материала, выполненного с параллельными плоскими поверхностями, на которых размещены отдельные магниты в виде рядов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, причем полюсные концы ближайших магнитов соседних рядов имеют противоположную полярность.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что микроволновая антенна состоит из волновода, ориентированного в направлении продольной оси вакуумного сосуда.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что микроволновая антенна одним концом прикреплена к внутренней стороне вакуумного сосуда.

4. Устройство по пп. 1 3, отличающееся тем, что микроволновая антенна содержит секцию волновода, закрывающую изнутри выполненное в вакуумном сосуде окно.

5. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что окно для прохождения микроволновой энергии внутрь вакуумного сосуда выполнено в торцевой стенке сосуда.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что окно расположено в центральной части торцевой стенки.

7. Устройство по п.5 или 6, отличающееся тем, что окно выполнено в съемной крышке, закрывающей отверстие торцевой стенки.

8. Устройство по пп.1 7, отличающееся тем, что в вакуумном сосуде расположена по меньшей мере одна электрически нагреваемая испаряющаяся проволока для первичного осаждения металла из пара на подлежащие обработке материалы, причем токоподводящие провода проволоки проведены через торцевую стенку сосуда, содержащую окно.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что проходные отверстия для токоподводящих проводов выполнены в крышке, содержащей окно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3