Вакуумный дуговой испаритель металлов


 


Владельцы патента RU 2530073:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к испарителям металлов, предназначенным для нанесения покрытий путем электронно-лучевого напыления, и может быть использовано для получения металлических пленок на деталях из металлов или диэлектриков. Вакуумный дуговой анодный испаритель металлов содержит термоэмиссионный катод и тигель-анод для расположения испаряемого металла. Тигель-анод выполнен с ограничивающей диафрагмой, расположенной над испаряемым металлом и имеющей отверстие или сквозной канал. Ограничивающая диафрагма выполнена из материала с температурой плавления не ниже температуры испарения испаряемого металла. Изобретение позволяет увеличить удельную и полную мощность, вкладываемую в самоподдерживающийся разряд, увеличить степень ионизации и скорость направленного потока, сужением конуса направленности потока испаряемого металла и увеличением эффективности использования последнего, и переходом работы устройства из диффузионного в сублимационный режим испарения. 4 з.п.ф-лы, 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к испарителям металлов, предназначенным для нанесения покрытий путем электронно-лучевого напыления, и может быть использовано для получения металлических пленок на деталях из металлов или диэлектриков.

Для нанесения покрытий путем электронно-лучевого напыления наибольшее распространение получили вакуумные дуговые анодные испарители с термоэлектронным катодом и источником распыляемого материала, помещенного в анодный тигель, которые обладают возможностью гибкого регулирования степени ионизации испаряемого потока и позволяют получить однородную паровую фракцию распыляемого металла с большой концентрацией ионизированных частиц, отсутствием капель и продуктов распыления катода. Последние особенности обуславливают высокое качество напыляемых пленок: однородность, прочность и высокую адгезию.

Испарители с термоэлектронным катодом в своей конструкции имеют два обязательных элемента: тигель-анод и термоэмиссионный катод. Обычно катод и анод составляют единый узел. Другие элементы конструкции, такие как, например, внешние фокусирующие устройства, могут присутствовать в конструкции, но не являются обязательными элементами. Некоторые различия между испарителями заключаются в дополнительном использовании элементов фокусировки с использованием электрических и магнитных полей.

В качестве прототипа изобретения выбран испаритель, включающий термоэмиссионный катод и тигель-анод [Никитин М.М. Вакуумный анодный разряд как источник ионизированных потоков материала покрытия. Известия РАН. Серия физическая, т.74, №2, с.306-312, 2010]. Необходимым условием работы этого испарителя является наличие высокого вакуума в рабочей камере испарителя (не менее 10-2 Па). Анодный тигель, обычно охлаждаемый проточной водой, представляет собой открытую емкость из жаропрочного материала, например вольфрама или молибдена. В некоторых конструкциях испарителя могут быть использованы неохлаждаемые тигли. Такие тигли приводят к диффузной посадке вакуумной дуги на распыляемый материал с широкой апертурой испарения материала, что не всегда эффективно с точки зрения его использования: часть материала, расплавляясь и смачивая тигель, уходит из зоны диффузионной привязки дуги, а другая часть, испаряясь, оседает на боковых стенках устройства, включая стенки вакуумной камеры и специальные экраны. Так как обычно большая часть испаряемого материала находится в нейтральном состоянии, то электрические и магнитные фокусирующие системы не оказывают влияния на формирование этой части испаряемого потока, и таким образом данный поток используется не вполне эффективно.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания вакуумного дугового анодного испарителя металлов с улучшенными техническими характеристиками: увеличенной удельной и полной мощностью, вкладываемой в самоподдерживающийся разряд, степенью ионизации и скоростью направленного потока, сужением конуса направленности потока испаряемого металла и увеличением эффективности использования последнего, и переходом работы устройства из диффузионного в сублимационный режим испарения.

Поставленная задача решается тем, что предлагается вакуумный дуговой анодный испаритель металлов, включающий термоэмиссионный катод и тигель-анод с расположенным в нем испаряемым металлом, у которого тигель-анод выполнен с ограничивающей диафрагмой, расположенной над испаряемым металлом и имеющей отверстие или сквозной канал, причем ограничивающая диафрагма выполнена из материала с температурой плавления не ниже температуры испарения испаряемого металла.

Термоэмиссионный катод может быть расположен над ограничивающей диафрагмой тигля-анода вне или внутри тигля.

Тигель-анод может быть снабжен средством водяного охлаждения.

Канал диафрагмы может иметь цилиндрическую или коническую форму, или форму сопла Лаваля.

Предлагаемый испаритель изображен на фиг.1, где 1 - тигель-анод, 2 - термоэмиссионный катод, 3 - ограничивающая диафрагма тигля-анода (с направляющим поток испаряемого металла каналом), 4 - испаряемый металл, 5 - конус направленности потока испаряемого металла, 6 - средство водяного охлаждения.

Работа предлагаемого испарителя происходит следующим образом. После нагрева термоэмисионного катода 2 до температуры, обеспечивающей необходимую первоначальную эмиссию электронов, и подачи электрического напряжения электронный пучок привязывается к тиглю-аноду 1. Первоначальный этап электронно-лучевого нагрева верхней части тигля-анода приводит к появлению паров испаряемого металла 4, которые интенсифицируют самоиспарение металла, находящегося в тигле, и его ионизацию. С ростом подводимой к разряду мощности давление насыщенных паров испаряемого металла повышается, процессы ионизации нарастают, и при некотором пороговом значении подводимой мощности возникает дуговой разряд в вакууме. Наличие канала у ограничивающей диафрагмы 3 позволяет сузить конус направленности потока испаряемого металла 5 и интенсифицировать процесс ионизации. Так, повышается удельный энерговклад на единицу площади разряда в парах металла. При продолжительной стационарной работе испарителя используется водяное охлаждение 6. При кратковременной работе испарителя водяное охлаждение не обязательно. Как и в прототипе, для плавной регулировки режимов испарения могут быть использованы дополнительные элементы для фокусировки. Последние на рисунках не приведены.

Термоэмиссионный катод может располагаться над ограничивающей диафрагмой, как показано на фиг.1(а). Однако с целью увеличения энергетической эффективности и эффективности использования испаряемого металла термоэмиссионный катод, не имеющий гальванической связи с тиглем-анодом, предлагается располагать внутри тигля выше зоны с полузакрытым объемом (выше ограничивающей диафрагмы; отсчет идет от дна внутренней поверхности тигля), в котором находится испаряемый металл, как показано на фиг.1(б). Так как термокатод расположен внутри тигля, то часть тигля, находящаяся выше зоны с полузакрытым объемом, служит дополнительным тепловым экраном для данного катода, поэтому он первоначально требует меньшей мощности для разогрева. Причем в условиях саморазогрева металлической плазмы разряда эффективно используется энергия и излучение из самого разряда в процессе его работы, что позволяет уменьшить первоначальный ток накала катода или потребляемую мощность для данных целей. Внутренняя поверхность верхней части тигля частично собирает распыленный вне конуса испарения металл и возвращает его повторно в сформировавшийся в процессе работы поток, так как температура верхней части тигля в процессе работы всегда выше температуры плавления испаряемого металла. Следует заметить, что во всех конструкциях испарителя, использованных ранее [Никитин М.М. Вакуумный анодный разряд как источник ионизированных потоков материала покрытия. Известия РАН. Серия физическая, т.74, №2, с.306-312, 2010], этот металл оседал на элементах конструкции вакуумной камеры или специальных экранах.

Использование полузакрытых тиглей-анодов, например, простого удлиненного цилиндрического тигля с неполной загрузкой испаряемого металла, или цилиндрического, или иного тигля с ограничивающей диафрагмой, имеющей отверстие или сквозной канал цилиндрической или конической формы, или формы сопла Лаваля и т.д., позволяет сузить конус направленности испаряемого потока, увеличить плотность накачки плазменного потока и, как правило, степень ионизации, а самое главное - такая конструкция тигля приводит к смене типа режима привязки разряда на испаряемый металл от диффузионной привязки к привязке к анодному пятну на испаряемом металле и переходу к сублимационному режиму испарения с повышением удельного и полного энерговклада в разряд. Такая привязка приводит к появлению каверны, или углубления, в испаряемом металле в центральной области внутри тигля и интенсификации процесса ионизации и испарения. Каверна уже сама по себе резко меняет конус направленности испаряемого потока. Данный переход резко отличается от известного диффузионного режима [Никитин М.М., Клебанов Г.Н., Рыкалин Н.Н., Шоршоров М.Х., Демин Е.П. и Попович Б.А. Способ электронно-лучевого напыления. А.с. №213553, МКИ В23К 23/00, №1101360/25-27, заявлено 14.09.1966, опубликовано 25.08.1976, Бюллетень №31] и несет в себе новые возможности для улучшения технических характеристик устройства. Причем сам факт существования и проникновения возникающего разряда внутрь полости с испаряемым металлом и образования каверны не очевиден и является экспериментальным фактом. Сформированный под избыточным давлением из полузакрытого объема тигля поток пара металла обладает существенными дополнительными преимуществами, в частности, повышается эффективность использования испаряемого металла и степень ионизации, сужается конус направленности испаряемого потока. Так как этот поток металла имеет высокую плотность, скорость истечения и ионизации, то термоэмиссионный катод (который может иметь кольцевую, спиралевидную форму и т.д.) преимущественно должен находиться вне зоны конуса истечения данного потока, в противном случае резко сокращается его срок службы.

В качестве испаряемых металлов могут использоваться, например, медь, алюминий, золото, серебро, никель.

Ограничивающая диафрагма может быть выполнена из металла с высокой температурой плавления, например молибдена, вольфрама, ниобия и т.д., а также из высокотемпературной керамики (алундовой и др.).

Пример 1. При использовании цилиндрического тигля (внешний диаметр - 19 мм, внутренний диаметр - 16 мм), изготовленного из молибдена, с ограничивающей диафрагмой, имеющей сквозной канал (минимальный диаметр - 6 мм), и использовании спиралевидного катода, изготовленного из вольфрамовой проволоки диаметром 1 мм, легированной лантаном, в испарителе при испарении меди удалось получить следующие параметры накачки устройства: ток 1 А и напряжение 980 В, а при токе 3 А напряжение опустилось до 650 В, что более чем в 3 раза превосходит аналогичные параметры по вводимой мощности в тигель, приведенные в качестве примера в [Никитин М.М., Клебанов Г.Н., Рыкалин Н.Н., Шоршоров М.Х., Демин Е.П. и Попович Б.А. Способ электронно-лучевого напыления. А.с. №213553, МКИ В23К 23/00, №1101360/25-27, заявлено 14.09.1966, опубликовано 25.08.1976, Бюллетень №31]. Минимальный зазор между катодом и тиглем равен 3 мм.

1. Вакуумный дуговой испаритель металлов, содержащий термоэмиссионный катод и тигель-анод для расположения испаряемого металла, отличающийся тем, что тигель-анод выполнен с ограничивающей диафрагмой, расположенной над испаряемым металлом и имеющей отверстие или сквозной канал, причем ограничивающая диафрагма выполнена из материала с температурой плавления не ниже температуры испарения испаряемого металла.

2. Испаритель по п.1, отличающийся тем, что термоэмиссионный катод расположен над ограничивающей диафрагмой тигля-анода.

3. Испаритель по п.2, отличающийся тем, что термоэмиссионный катод расположен над ограничивающей диафрагмой тигля-анода внутри тигля.

4. Испаритель по п.1, отличающийся тем, что тигель-анод снабжен средством водяного охлаждения.

5. Испаритель по п.1, отличающийся тем, что канал ограничивающей диафрагмы выполнен цилиндрическим, или коническим, или в виде сопла Лаваля.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к покрытиям. Cпособ включает вакуумную лазерную абляцию в реакционной камере с испарением мишени твердотельным лазером и последующим осаждением аморфного алмазоподобного покрытия в виде пленки на лезвие хирургического скальпеля.

Изобретение относится к испарителю для испарения органических материалов, в частности меламина, а также к способу нанесения покрытия из органического материала на гибкий субстрат с помощью этого испарителя.
Изобретение относится к скользящему элементу, в частности поршневому кольцу, имеющему покрытие по меньшей мере на одной поверхности скольжения, и к способу получения скользящего элемента.

Изобретение относится к установке для вакуумного осаждения покрытия из металлического сплава на подложку (7). Генератор - смеситель пара установки содержит вакуумную камеру (6), которая имеет средства для создания в ней разрежения относительно внешней среды и средства, обеспечивающие вход и выход подложки (7).

Изобретение относится к технологии нанесения тонких пленок, а именно к испарителям, и может быть использовано для напыления пленок из драгоценных металлов и сплавов.

Данное изобретение относится к покрытию для режущего инструмента и способу его нанесения. Покрытие для режущего инструмента имеет по меньшей мере один слой, содержащий металлические компоненты, имеющие формулу AlxCr1-x, где x представляет собой атомную долю, удовлетворяющую 0≤x≤0,84, и содержит неметаллические компоненты, имеющие формулу O1-yZy, где Z представляет собой по меньшей мере один элемент, выбранный из группы N, B, C, и 0≤y≤0,65, а предпочтительно y≤0,5.

Изобретение относится к способам нанесения вакуумно-плазменным методом многослойных износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке.
Изобретение относится к способу нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Способ включает вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способу изготовления режущих пластин, и может найти применение при производстве металлорежущего инструмента.

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии, в частности к способу сборки шатунно-поршневого узла. Осуществляют установку поршневого пальца в отверстие поршня и установку шатуна на поршневой палец.

Изобретение относится к способу формирования защитного покрытия в виде пленки некристаллического углерода и может быть использовано в микро- и радиоэлектронной промышленности при изготовлении защитных покрытий полупроводниковых и оптических приборов. На полупроводниковой подложке формируют защитное покрытие методом импульсной конденсации электроэрозионной дуговой углеродной плазмы с энергией частиц не более 50 эВ при давлении в вакууме не выше 5∗10-4 Па и температуре подложки не более 25°С. Осаждение пленки некристаллического углерода осуществляют через криволинейную плазмооптическую систему, не имеющую прямой видимости между областями генерации и конденсации плазмы, при замыкании части силовых линий магнитного поля на анод генератора. Магнитный поток внутри генератора создают меньшим по величине, чем магнитный поток через плазмооптическую систему. Технический результат заключается в том, что при генерации и транспортировке углеродной плазмы создаются условия, обеспечивающие отсутствие на поверхности конденсации макрочастиц, неионизированного пара, высокоэнергетичных ионов углерода и примесей посторонних элементов. 2 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия из нитрида или карбонитрида титана, алюминия, кремния, молибдена и железа при их содержании в мас.%: титан 66,35, алюминий 10,26, кремний 0,97, молибден 21,18, железо 1,24. Нанесение покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами. Первый катод выполняют из сплава титана и кремния, второй - из сплава титана и алюминия и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из молибдена и железа и располагают между ними. Повышается работоспособность режущего инструмента. 1 табл.
Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение износостойкого покрытия из нитрида или карбонитрида титана, кремния, алюминия, молибдена и железа при их содержании, в мас.%: титан 63,94, кремний 0,93, алюминий 9,72, молибден 24,18, железо 1,23. Нанесение покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами. Первый катод выполняют из сплава титана, кремния и алюминия, второй - составной из молибдена и железа и располагают противоположно первому, а третий изготавливают из титана и располагают между ними. Повышается работоспособность режущего инструмента. 1 табл.

Изобретение относится к области нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия. Сначала наносят нижний слой из нитрида титана. Затем наносят верхний слой из нитрида соединения титана, ниобия и молибдена при их содержании, в мас.%: титан 84,5-90,0, ниобий 6,0-10,0, молибден 4,0-5,5. Нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами. Первый катод выполняют составным из титана и ниобия, второй - из титана и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и молибдена и располагают между ними. Нижний слой покрытия наносят с использованием второго катода, а верхний слой - с использованием первого и третьего катодов. Повышается работоспособность режущего инструмента. 1 табл.

Изобретение относится к получению фуллеренсодержащей пленки на подложке и может быть использовано в микро- и наноэлектронике. Сформированный в виде кольца трубчатый пучок электронов проецируют на мишень, выполненную в виде таблетки из порошка фуллереновой смеси, с её коаксиальным охватом. Осуществляют вакуумное испарение таблетки при температуре, превышающей 1,7·103 К, со сведением кольцевой проекции пучка электронов за время 0,1-1 с в пятно в центр таблетки и конденсацию паров фуллеренов на подложке. Обеспечивается предельно высокое значение коэффициента использования испаряемого материала, а также обеспечивается возможность нанесения покрытий на большие площади. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 пр.
Изобретение относится к области нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия. Сначала наносят нижний слой из нитрида соединения титана, ниобия и молибдена при их содержании, мас.%: титан 84,5-90,0, ниобий 6,0-10,0, молибден 4,0-5,5. Затем наносят верхний слой из нитрида ниобия. Нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами. Первый катод выполняют составным из титана и ниобия, второй - из ниобия и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и молибдена и располагают между ними. Нижний слой наносят с использованием первого и третьего катодов, а верхний слой - с использованием второго катода. Повышается работоспособность режущего инструмента. 1 табл.
Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия. Сначала наносят нижний слой из нитрида ниобия. Затем наносят верхний слой из нитрида соединения титана, ниобия и молибдена при их содержании, в мас.%: титан 84,5-90,0, ниобий 6,0-10,0, молибден 4,0-5,5. Нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, первый из которых выполняют составным из титана и ниобия, второй - из ниобия и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и молибдена и располагают между ними. Нижний слой наносят с использованием второго катода, а верхний слой - с использованием первого и третьего катодов. Повышается работоспособность режущего инструмента. 1 табл.
Изобретение относится к нанесению износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия. Сначала наносят нижний слой из нитрида соединения титана, ниобия и молибдена при их содержании, в мас.%: титан 84,5-90,0, ниобий 6,0-10,0, молибден 4,0-5,5. Затем наносят верхний слой из нитрида титана. Нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами. Первый катод выполняют составным из титана и ниобия, второй - из титана и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и молибдена и располагают между ними. Нижний слой наносят с использованием первого и третьего катодов, а верхний слой - с использованием второго катода. Повышается работоспособность режущего инструмента. 1 табл.
Изобретение относится к нанесению износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия. Сначала наносят нижний слой из нитрида циркония. Затем наносят верхний слой из нитрида соединения титана, ниобия и молибдена при их содержании в мас.%: титан 84,5-90,0, ниобий 6,0-10,0, молибден 4,0-5,5. Нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами. Первый катод выполняют составным из титана и ниобия, второй - из циркония и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и молибдена и располагают между ними. Нижний слой наносят с использованием второго катода, а верхний слой - с использованием первого и третьего катодов. Повышается работоспособность режущего инструмента. 1 табл.
Изобретение относится к нанесению износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия. Сначала наносят нижний слой из нитрида хрома. Затем наносят верхний слой из нитрида соединения титана, ниобия и молибдена при их содержании, мас.%: титан 84,5-90,0, ниобий 6,0-10,0, молибден 4,0-5,5. Нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами. Первый катод выполняют составным из титана и ниобия, второй - из хрома и располагают противоположно первому, а третий изготавливают составным из титана и молибдена и располагают между ними. Нижний слой наносят с использованием второго катода, а верхний слой - с использованием первого и третьего катодов. Повышается работоспособность режущего инструмента. 1 табл.
Наверх