Спосіб нанесення покриттів у вакуумі та пристрій для його здійснення

1. Спосіб нанесення покриттів у вакуумі, що включає генерацію плазмового потоку з покривного матеріалу джерелом плазми, створення електричного поля, що прискорює іонний компонент плазмового потоку, подачею негативного потенціалу на тримач підкладки із розташованими на C2 2 (19) 1 3 82889 Відомий спосіб нанесення покриття й пристрій, його реалізуючий, у якому в ході проведення процесу осадження покриття, на тримач підкладки подають імпульсну напругу зсуву (пат. США №3732158. МПК С 23 С 15/00). Відомий також пристрій, що здійснює спосіб формування покриття, при якому одночасно використовують постійну й імпульсну напруги зсуву (пат. Японії №59-18625. МПК С 23 С 15/00). Застосування таких напруг на тримачі підкладки дозволяє в процесі конденсації покриттів здійснювати інтенсивний вплив на властивості конденсату під час його формування. До недоліків розглянутих способів, і, відповідно, пристроїв для їхнього здійснення, належить низька швидкість осадження плівок, що звичайно не перевищує одиниць нм у сек. Відомий також спосіб одержання покриттів у вакуумі за допомогою торцевих плазмових прискорювачів, описаний в (А. М. Дороднов. Технологические плазменные ускорители. ЖТФ, т.48, в.9, 1978, стор.1862 -1866, мал.4). У цьому способі плазмовий потік, створюваний плазмовим прискорювачем, направляється у бік тримача підкладки, приєднаного до негативного виводу джерела напруги зсуву, де і відбувається формування покриття. Подібний спосіб і пристрої для нанесення покриттів характеризуються високою швидкістю осадження конденсату і дозволяють одержувати керовану структуру створюваних покриттів. Основним недоліком розглянутого способу і пристрою є досить висока нерівномірність одержуваних покриттів по товщині. З метою підвищення якості обробки виробів за рахунок усунення місцевих термічних перевантажень при нанесенні покриттів методом іонноплазмового напилювання в способі, реалізованому в пристрої по пат. ГДР №254858 МПК С 23 С 14/50, перед тримачем підкладки розміщують плоский ізольований електрод, на який подають більше високий, у порівнянні з тримачем підкладки, негативний потенціал. Однак подібне вдосконалення не дозволяє усунути нерівномірність одержуваних покриттів по товщині. Найбільш близьким по технічній сутності до способу нанесення покриттів у вакуумі, що заявляється, є спосіб нанесення покриттів, обраний як прототип і описаний разом із пристроєм для його здійснення в ( 50 лет Харьковскому физикотехническому институту АН УССР. - Киев, Наук. думка. 1978., стор. 205-212, мал.87). Розглянутий спосіб включає генерацію плазмового потоку з покривного матеріалу джерелом плазми, створення електричного поля, що прискорює іонний компонент плазмового потоку, подачею негативного потенціалу на тримач підкладки із розташованими на ньому виробами, що обробляють, подачу у вакуумну камеру газового компонента й конденсацію потоку іонів на поверхню цих виробів. Даний спосіб впроваджений у виробництво під абревіатурою „метод КІБ” (конденсація покриттів з іонним бомбардуванням) і лежить в основі установок типу „Булат”, „ННВ”, „П уск” та інші. Пристрій для його здійснення містить вакуумну камеру, приєднане до неї джерело плазми, розміщений у камери тримач підкладки з вироба 4 ми, що обробляються, джерело живлення основного розряду і джерело напруги зсуву, з’єднане негативним виводом з тримачем підкладки. Даний спосіб за допомогою описаного пристрою дозволяє формувати з достатньою швидкістю покриття різного функціонального призначення, що володіють високою адгезією до матеріалу обробляючих виробів. Основними недоліками такого способу і пристрою для його здійснення є нерівномірність одержуваних покриттів по товщині й неможливість формування покриттів із заданою товщиною на виробах по всій поверхні тримача підкладки. Причиною цього є те, що іонний компонент плазми, яку створює вакуумна дуга, і що осаджується на тримачі підкладки (або точніше, на виробах, розміщених на тримачі підкладки), має нерівномірний розподіл у просторі. І якщо при малих стр умах дуги цей розподіл має косинусоїдальний характер, то при струмах дуги 100А і більше, що характерно для використовуваних у пристрої, що реалізує спосіб, вакуумнодугови х джерел плазми, спостерігається додаткове фокусування іонного струму уздовж осі системи (див. Аксенов И.И., Хороши х В.М. Потоки частиц и массоперенос в вакуумной дуге: Обзор. - М.: ЦНИИатоминформ, 1984., стор.7, мал.3). Внаслідок відзначеної обставини товщина покриття на тримачі підкладки в способі-прототипі має нерівномірний характер - максимальний по центру і зменшуваний до краю тримача підкладки. Технічним завданням запропонованого способу нанесення покриттів у вакуумі і пристрою для його здійснення є одержання покриттів, що мають задану товщину на всій поверхні тримача підкладки. Поставлений технічний результат досягається тим, що в способі нанесення покриттів у вакуумі, що включає генерацію плазмового потоку з покривного матеріалу джерелом плазми, створення електричного поля, що прискорює іонний компонент плазмового потоку, подачею негативного потенціалу на тримач підкладки із розташованих на ньому виробами, що обробляють, подачу у вакуумну камеру газового компонента і конденсацію потоку іонів на поверхню цих виробів, відповідно до винаходу, у області осадження покриття створюють неоднорідне електричне поле, що забезпечує заданий розподіл товщини покриття по поверхні тримача підкладки. При цьому, установивши за допомогою неоднорідного електричного поля на різних ділянках тримача підкладки рівну густину іонного струму, одержуємо на цих ділянках тримача підкладки покриття, що мають рівну товщин у. Пропонований спосіб реалізують за допомогою пристрою для нанесення покриттів, що містить вакуумну камеру, приєднане до неї джерело плазми, розміщений у камери тримач підкладки з виробами, що обробляються, джерело живлення основного розряду і джерело напруги зсуву, з’єднане негативним виводом з тримачем підкладки, у якому, відповідно до винаходу, тримач підкладки виконаний не менше ніж з двох окремих секцій, електричне ізольованих одна від одної, а кожна секція 5 82889 тримача підкладки приєднана до джерела напругі зсуву. Розглянемо детально причинно-наслідковий зв’язок між істотними відмінними ознаками способу для нанесення покриттів у вакуумі, що заявляється, пропонованого пристрою для його здійснення і технічним результатом, що досягається. Створення, відповідно до винаходу, в області конденсації покриття неоднорідного електричного поля, що забезпечує заданий розподіл товщини покриття по поверхні тримача підкладки, забезпечували за допомогою запропонованого пристрою. Виконання в пристрої тримача підкладки, що розподілена на секції, не менш ніж двох окремих, причому секції електричне ізольовані одна від одної, і подача на кожну секцію від джерела зсуву напруги величиною Ці, приводить до наступного. Так, якщо величини поданих напруг на кожній секції рівні (кількість секцій n³2), тобто U1=U2=…=Un-1=Un, те, як і у способі-прототипі, в області конденсації покриття формується електричне поле, такe ж, як і в устрої-прототипі, при якому на кожній секції тримача підкладки буде відбуватися формування покриття, обумовлене нерівномірним характером розподілу іонного струму, внаслідок чого товщина покриття на секціях, розташованих ближче до центра, буде більша, ніж на периферійних. Створення неоднорідного електричного поля, коли на секції тримача підкладки подані напруги U1>U1>...>Un1>U n таким чином, що величина напруги на секції, розташованої ближче до центра, буде менше, ніж розташованої далі, приводить, відповідно до закону Чайлда - Ленгмюра (див., наприклад, Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: На ука. 1987., стор.291) до перерозподілу іонного струму по секціях тримача підкладки (j~U3/2), а отже , і до формування покриттів, товщина яких буде визначатися величиною напруги Un, поданого на секцію тримача підкладки. Задаючи різні співвідношення напруг на секціях тримача підкладки (тобто величину неоднорідності електричного поля в області конденсації), тим самим будемо міняти характер розподілу товщини покриттів по секціях тримача підкладки (тобто задавати товщини покриттів). Зокрема, у випадку неоднорідного електричного поля, створюваного напругами на секціях тримача підкладки, величина яких забезпечує рівність густини іонного струму в кожній секції j1=j2=…=jn-1=jn=j, n (де j=Ii/ å Sn , A/см 2; Ii - іонний струм, що створює n =1 джерело плазми і який надходить на тримач підкладки. A; S n - площа секції тримача підкладки, см 2), покриття на кожній секції будуть формуватися рівної товщини. Істотне питання про кількість секцій тримача підкладки п, при якому поставлений технічний результат досягається якнайкраще. Очевидно, що при n=1 маємо устрій-прототип, тримач підкладки в цьому разі виконаний цілим і перерозподіл іонного компоненту плазмового потоку неможливе. Ця можливість з’являється, коли n³2. Природно, чим на більшу кількість секцій п розділений тримач 6 підкладки, тим точніше можна управляти іонним струмом (а значить і товщиною покриття), що припадає на окрему секцію тримача підкладки. Однак, зі збільшенням кількості секцій ускладнюється конструкція тримача підкладки, здійснення підводу струму до секцій, і тем сильніше, чим більше секцій. Оптимальним, для здійснення способу, виходячи з умови одержання заданої товщини покриття в кожній секції при незначному ускладненні конструкції, є виконання тримача підкладки звичайно з 3-5 секцій. Таким чином, у запропонованому пристрої, що реалізує спосіб, що заявляється, створюючи неоднорідне електричне поле в області конденсації (області осадження покриття) шляхом подачі окремих напруг на секції тримача підкладки і задаючи співвідношення напруг (величину неоднорідності електричного поля) , а відповідно і густини іонного струму (згідно закону „трьох других” j~U3/2), що протікає через окремі секції, можна формувати покриття заданої товщини на кожній секції тримача підкладки. При використанні запропонсзаного пристрою для нанесення покриттів з метою спрощення конструкції (використанні одного джерела напруги зсуву) і полегшення керуванням задания товщини покриттів, секції тримача підкладки виконують рівної площі і кожну секцію приєднують через ланцюжок послідовно з’єднаних змінного резистора і вимірника струму до джерела напруги зсуву. У цьому випадку простою зміною опору змінного резистора забезпечується зміна величини напруги (зміна неоднорідності електричного поля в області осадження покриття), поданого на секцію тримача підкладки, а відповідно, і величини струму, що протікає через секцію і показаною вимірником струму (амперметр). Величина струму, що протікає через секцію, однозначно, за інших рівних умов, визначає товщину формованого покриття. Задаючи величину стр уму, що протікає через кожну секцію, однозначно задаємо товщини покриттів, одержуваних у ци х секціях. Так, наприклад, для одержання покриттів, що мають рівні товщини, необхідно просто відрегулювати величини опору змінних резисторів так, щоб показники вимірників струму збігалися. По суті, у цьому випадку, ми на різних ділянках тримача підкладки встановлюємо рівну щільність іонного струму. З метою підвищення точності одержання заданих товщини покриттів у кожній секції в запропонований пристрій для нанесення покриттів уведений блок керування, входи якого приєднані до виходів вимірників струму, а виходи управляють опором змінних резисторів. Використання такого блоку керування дозволяє, задавши певну товщину покриття на кожній секції тримача підкладки (по суті, задається струм через секцію), оперативно підтримувати заданий струм (задану товщину) через секцію шляхом порівняння поточного значеная струму із заданим і практично миттєвим його коректуванням за рахунок зміни величини опору змінного резистора. Цим самим досягається висока точність одержання заданої товщини покриття в кожній секції тримача підкладки. 7 82889 Необхідно відзначити, що поряд з технічним результатом, а саме - одержання покриттів, що мають задану товщин у на всій поверхні тримача підкладки, пропонований спосіб для нанесення покриттів і пристрій для його здійснення забезпечують одержання також технічного результату, що полягає в підвищенні якості обробки виробів. Пояснемо це на прикладі нанесення покриттів на різальний інструмент методом КІБ. Якщо реалізовувати метод КІБ в устрої-прототипі, то в процесі іонного очищення, поряд з катодним розпиленням поверхні виробів, що оброблюються, відбувається її розігрів до досить високих температур (6000С и вище). Внаслідок нерівномірності розподілу іонного струму, це нагрівання виробів, розташованих по радіусу тримача підкладки, буде також значно нерівномірним - більшим у центральній частині й меншим у периферійній. Здійснюючи контроль за температурою за допомогою пірометра, його звичайно набудовують на вимір температури ріжучої крайки інструмента (щоб уникнути її перегріву), розташованого в середній частині тримача підкладки. Природно, при нагріванні до оптимальної температури (100012000С, див., наприклад, Верещака А.С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. -М.: Машиностроение, 1986., стор.25, табл.2) інструмента, розташованого в середній частині тримача підкладки буде відбуватися перегрів ріжучих крайок інструмента, розташованого ближче до центра й недогрів ріжучих крайок інструмента, розташованого ближче до периферії. Відповідно і якість інструмента, отриманого за один цикл обробки, буде різко відрізнятися - від оптимального, обробленого в середині тримача підкладки до незадовільного, обробленого в центрі і на краях тримача підкладки. У способі, що заявляється, здійснюваному за допомогою запропонованого пристрою, за рахунок створення неоднорідного електричного поля в області осадження покриття, тобто використання тримача підкладки, що розподілений на секції і подачі напруги на секції - більшої на периферії і зменшуваної до центра тримача підкладки, відбувається вирівнювання густини іонного струму по всіх секціях тримача підкладки, внаслідок чого якість обробки інструмента є оптимальним на всіх секціях тримача підкладки - як периферійних, так середніх і центральних. На Фіг. 1 показаний пристрій, що реалізує спосіб нанесення покриттів у вакуумі з окремими джерелами напруги зсуву. На Фіг. 2 зображений пристрій для нанесення покриттів з одним джерелом напруги зсуву. На Фіг. 3 показаний пристрій для нанесення покриттів із блоком керування. На Фіг. 4 наведений розподіл іонного струму при подачі на секції тримача підкладки однакової напруги. На Фіг. 5 показані розподіли іонного струму при різних співвідношеннях напруг, поданих на секції тримача підкладки. На Фіг. 6, Фіг. 7, Фіг. 8 і Фіг. 9 наведені варіанти секціонування тримача підкладки (вид з боку джерела плазми). 8 Спосіб нанесення покриттів у вакуумі здійснювали за допомогою запропонованого пристрою, описаного нижче. Пристрій для нанесення покриттів містить вакуумну камеру 1 (Фіг. 1), приєднане до неї вакуумно-дугове джерело плазми 2, підключене до джерела живлення вакуумної дуги 3. Усередині вакуумної камери 1 розміщений тримач підкладки, виконаний у вигляді окремих секцій 4, 5, 6, 7 й 8, електричне ізольованих один від одного. Кожна секція тримача підкладки приєднана до негативного виводу окремого джерела напруги зсуву: секція 4 до джерела напруги зсуву 9, секція 5 до джерела напруги зсуву 10, секція 6 до джерела напруги зсуву 11, секція 7 до джерела напруги зсуву 12, секція 8 до джерела напруги зсуву 13. При використанні одного джерела напруги зсуву 9 (Фіг. 2), кожна із секцій 4-8 підключається до негативного виводу джерела напруги зсуву 9 через окремий ланцюжок з послідовно з’єднаних змінного резистора й вимірника струму (амперметра): секція 4 через ланцюжок зі змінного резистора 14 і вимірника струму 15, секція 5 через ланцюжок зі змінного резистора 16 і вимірника струму 17, секція 6 через ланцюжок зі змінного резистора 18 і вимірника струму 19, секція 7 через ланцюжок зі змінного резистора 20 й вимірника струму 21, секція 8 через ланцюжок зі змінного резистора 22 і вимірника струму 23. При формуванні покриттів за допомогою багатоканального блоку керування 24 (Фіг. 3), на входи блоку керування 24 подані керуючі сигнали від вимірників струму (трансформатори струму) 15, 17, 19, 21 й 23, а виходи блоку керування 24 змінюють опори змінних резисторів 14, 16, 18, 20 й 22 по сигналах від відповідних вимірників струму. Спосіб нанесення покриттів у вакуумі здійснювали за допомогою запропонованого пристрою в такий спосіб. Після створення у вакуумній камері 1 системами відкачки й напуску реакційних або інших газів (не показані) робочого середовища, обумовленої вимогами конкретного технологічного процесу, включається джерело плазми 2, підключений до джерела живлення дуги 3. Це джерело плазми 2 створює плазмовий потік (не показаний), що рухається в напрямку секцій 48 тримача підкладки. Попередньо в області осадження покриття створювали неоднорідне електричне поле шляхом подачі на секції 4-8 тримача підкладки від джерел напруги зсуву 9-13 негативного потенціалу, величини яких визначали виходячи із заданої товщини покриття на кожній секції тримача підкладки. При рівності напруг на секціях тримача підкладки (Фіг. 4), розподіл густини іонного струму j плазмового потоку матиме різко неоднорідний характер по радіусі r тримача підкладки (крива 25, Фіг. 4). Товщина одержуваних у цьому випадку покриттів, як й у пристроїпрототипі, залежить від розташування виробів, що оброблюються, по секціях тримача підкладки і добре корелює із кривою 25. У ході проведення випробувань пропонованого способу в пристрої для нанесення покриттів на секції 4-8 тримача підкладки (застосовувалася конструкція тримача підкладки, зображена на Фіг. 9 82889 6) подавали різні співвідношення напруг від джерел напруги зсуву 9-13 (Фіг. 1). Так, при подачі напруги на крайні секції 6 й 8, більшому, ніж на середні 7 й 5, а на середні 7 й 5 більшому, ніж на центральну 4, т. е U8>U7>U4U4