Устройство для нанесения покрытий на диэлектрики в разряде

 

Изобретение относится к вакуумным установкам для нанесения покрытий в разряде. Устройство для нанесения покрытий на диэлектрики в разряде содержит вакуумную камеру, электродуговой испаритель, подложку для размещения детали, соединенную с отрицательной клеммой источника питания. Для снижения температуры конденсации покрытий на диэлектрики, предотвращения повреждений обрабатываемой поверхности микродугами и повышения адгезии покрытий при ортогональном падении ионного потока на поверхность диэлектрика в устройстве используют размещенные на подложке изолятор с установленным на нем защитным корпусом и электроизолированный экран в виде решетки, размещенный между испарителем и защитным корпусом. Геометрические размеры и форму экрана определяют соответственно проекции детали на подложку. Решетка выполнена с квадратными отверстиями, а период отверстий, расстояние между экраном и деталью и относительная величина квадрата определяются по определенной зависимости. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротермическому машиностроению, в частности к вакуумным установкам для нанесения покрытий в разряде.

Это изобретение может найти широкое применение в машиностроении, автостроении, химической промышленности.

Известно устройство для нанесения покрытий в разряде на диэлектрики (И. Л. Ройх, Л.Н. Колтунова, С.Н. Федосов. М. Машиностроение, 1979, с. 7, 15), включающее вакуумную камеру, катод (распыляемая мишень), анод, подложку с осажденным слоем покрытия, магнитную отклоняющую систему, эмиттер электронов (горячий катод).

Недостатком устройства является повреждение обрабатываемой поверхности микродугами, высокая степень загрязненности осадка.

Наиболее близким к данному устройству является устройство для вакуумного напыления покрытий в разряде на диэлектрики распылением катода дугой низкого давления (Порошковая металлургия и напыленные покрытия. Под ред. Б.С. Митина М. Металлургия, 1987, с. 694), включающее вакуумную камеру, электродуговой испаритель, подложку с отрицательным потенциалом.

Недостатком устройства является интенсивный разогрев обрабатываемого изделия, в частности диэлектрика, в процессе конденсации покрытий повреждение поверхности вследствие воздействия микродуг и неудовлетворительная адгезия покрытия при ортогональном падении ионного потока на поверхность диэлектрика.

Задачей настоящего изобретения является снижение температуры конденсации покрытий на диэлектрики в разряде, предотвращение повреждений обрабатываемой поверхности микродугами и повышение адгезии покрытий при ортогональном падении ионного потока на поверхность диэлектрика.

В устройстве, содержащем вакуумную камеру, электродуговой испаритель, подложку с отрицательным потенциалом для размещения детали, решение задачи достигается тем, что располагают электрически изолированный экран между электродуговым испарителем и подложкой и устанавливают изолятор с защитным корпусом между деталью и подложкой, причем электрически изолированный экран выполнен в виде решетки с квадратными отверстиями и периодом T=2Y₀-l, стороной квадратного отверстия равной l, расстоянием между линией симметрии двух соседних отверстий и дальней стороной одного из них равным Y₀ и расстоянием экран деталь равным h, причем H_y= h/Y₀ - относительное расстояние экран деталь и L l/Y₀ относительная величина стороны квадратного отверстия решетки определяются из соотношения а геометрические размеры и форма электрически изолированного экрана соответствуют проекции детали на подложку.

Как известно из физики, всякое изолированное тело в плазме приобретает отрицательный потенциал вследствие большей подвижности электронов по сравнению с положительными ионами. В процессе интенсивной ионной бомбардировки, что имеет место при нанесении покрытий в разряде, в приповерхностном слое диэлектрика накапливается положительный заряд, вследствие чего плотность потока ионов и их энергия резко падают, что приводит к резкому ухудшению адгезии осаждаемого покрытия. Образовавшийся на поверхности слой проводящего покрытия приводит к возникновению интенсивных микродуг в местах контакта диэлектрика с находящейся под отрицательным потенциалом подложкой, так как практически не удается обеспечить плотный контакт диэлектрика с проводящей подложкой. В местах, где есть зазор, образуется локальный перегрев вследствие эффекта "полого катода", в местах, где контакт имеет малое сечение, образуется локальный перегрев вследствие высокого сопротивления контакта. Области локального перегрева являются местами возникновения интенсивных микродуг, повреждающих поверхность обрабатываемого диэлектрика. Кроме того, микродуги возникают и на других участках поверхности вследствие прямого воздействия интенсивного потока заряженных частиц от электродугового испарителя.

Так как вышеизложенные негативные эффекты имеют место лишь при обработке в разрядке, то естественным путем решения проблемы является выведение диэлектрика из области интенсивного разряда, обусловленного горением электродугового испарителя, что достигается помещением его в "тень" изолированного экрана. Таким образом, диэлектрик оказывается в разряде между корпусом камеры и подложкой, где вероятность возникновения микродуг ниже, а повреждения от них на диэлектрике практически отсутствуют вследствие того, что данный разряд является слаботочным. Однако, с другой стороны, чем выше степень ионизации осаждаемого материала покрытия, тем выше адгезия и тем ниже оптимальная температура конденсации, вплоть до комнатной. По этой причине диэлектрик и электрически изолированный экран помещают в центре разряда, где степень ионизации наивысшая.

Для предотвращения интенсивного разогрева диэлектрика (детали) от подложки, а также возникновения микродуг в местах контакта диэлектрика с подложкой при нанесении покрытий, между обрабатываемым диэлектриком и подложкой располагают изолятор.

Существенное влияние на адгезию покрытия оказывает скорость конденсации. Низкая скорость конденсации позволяет свести к минимуму остаточные напряжения на поверхности покрытия, негативно влияющие на уровень адгезии, и избавиться от положительного заряда, накапливающегося в приповерхностном слое диэлектрика, понижающего плотность потока ионов, их энергию и также резко ухудшающего адгезию осаждаемого покрытия.

Помещение изделия в "тень" сплошного электрически изолированного экрана решает задачу снижения температуры конденсации покрытий на диэлектрики в разряде, но, так как скорость конденсации существенно зависит от угла падения ионного потока, остается неудовлетворительной адгезия покрытий при ортогональном падении ионного потока на поверхность изолированного диэлектрика вследствие высокой скорости конденсации. Снижение скорости конденсации достигается с помощью электрически изолированного экрана, выполненного в виде решетки, обеспечивающего снижение плотности потока ионов.

Вследствие удаленности электрически изолированного экрана, выполненного в виде решетки с квадратными отверстиями, от испарителя, можно рассматривать каждое отверстие решетки как испаритель квадратной формы. В этом случае условие равенства толщины покрытия в центре и на краю подложки может быть записано в виде (1) (Ройх И.Л. Колтунова Л.Н. Федосов С.Н. Нанесение защитных покрытий в вакууме. М. Машиностроение, 1976, с. 273-276).

На чертеже изображена схема устройства для нанесения покрытий в разряде на диэлектрики, где 1 вакуумная камера, 2 подложка, 3 изолятор, 4 - защитный корпус, 5 обрабатываемая деталь (диэлектрик), 6 катод испарителя, 7 электрически изолированный экран, выполненный в виде решетки, 8 анод испарителя, l величина стороны квадратного отверстия решетки, Y₀ - расстояние между линией симметрии двух соседних отверстий и дальней стороной одного из них, h расстояние между электрически изолированным экраном и деталью.

Работает устройство следующим образом. В вакуумной камере 1 на подложку 2 кладут изолятор 3, накрытый защитным корпусом 4 и на него ставят обрабатываемую деталь (диэлектрик) 5. На некотором расстоянии между деталью и катодом испарителя 6 помещают изолированный экран, выполненный в виде решетки 7. После зажигания электродугового разряда между анодом 8 и катодом 6 испарителя поток положительно заряженных ионов испаряемого материала начинает двигаться по направлению к подложке, имеющей отрицательный потенциал. Часть ионного потока, огибая изолированный экран 7, достигает поверхности обрабатываемого изделия 5, так как изолированное тело в плазме имеет отрицательный потенциал. Другая часть ионного потока, проходя через отверстия решетки 7, ослабевает вследствие наличия положительного заряда в приповерхностном слое электрически изолированной решетки 7, что и позволяет добиться низкой скорости конденсации покрытий на ортогонально расположенной к ионному потоку поверхности диэлектрика. Вследствие наличия электрически изолированного экрана 7 и изолятора 3 не происходит интенсивного разогрева обрабатываемого изделия в процессе конденсации покрытий. Геометрические размеры электрически изолированного экрана, выполненного в виде решетки, и его расстояние от изделия влияют на скорость конденсации покрытий, а следовательно на их адгезию и должны подбираться индивидуально в каждом конкретном случае с учетом формулы (1). Защитный корпус 4 предотвращает попадание электропроводящего покрытия на изолятор 3.

Использование предлагаемого устройства по сравнению с существующими позволяет: 1. Понизить температуру нанесения покрытий на диэлектрики.

2. Повысить качество конденсируемых покрытий за счет предотвращения повреждений от микродуг.

3. Понизить температуру нанесения покрытий на металлы (проводники), помещая их непосредственно на подложку, без промежуточного изолятора.

4. Повысить адгезию осаждаемых на диэлектрики покрытий при ортогональном падении ионного потока на поверхность обрабатываемого изделия (детали).

Формула изобретения

1. Устройство для нанесения покрытий на диэлектрики в разряде, содержащее вакуумную камеру, электродуговой испаритель, подложку для размещения детали, соединенную с отрицательной клеммой источника питания, отличающееся тем, что оно снабжено размещенным на подложке изолятором с установленным на нем защитным корпусом и электрически изолированным экраном в виде решетки, расположенным между электродуговым испарителем и защитным корпусом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что решетка выполнена с квадратными отверстиями с периодом T Y₀ l, а относительное расстояние между экраном и деталью и относительная величина стороны квадрата определяются следующими зависимостями: H_y h/Y₀; L l/Y₀; где l сторона квадратного отверстия; Y₀ расстояние между линией симметрии между двух соседних отверстий и дальней стороной одной из них;
H_y относительное расстояние между экраном и деталью;
h расстояние между экраном и деталью;
L относительная величина стороны квадратного отверстия.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что размер и форма решетки соответствует проекции детали на подложку.

РИСУНКИ

Рисунок 1