RU2095465C1

RU2095465C1 - Apparatus for applying coatings onto dielectrics in discharge conditions

Info

Publication number: RU2095465C1
Application number: RU95112884A
Authority: RU
Inventors: А.А. Федоров
Original assignee: Кубанский государственный технологический университет
Priority date: 1995-07-26
Filing date: 1995-07-26
Publication date: 1997-11-10

Abstract

FIELD: coatings. SUBSTANCE: apparatus contains vacuum chamber, arc evaporator, support to dispose a part connected with negative contact of power source. To reduce temperature at which coating condenses onto dielectrics, prevent damaging surface being treated by microarcs, and increase adhesion of coatings at orthogonal fall of ion beam onto dielectric surfaces, apparatus additionally has insulator placed on support with protective housing installed on it and electrically insulated screen disposed between evaporator and protective housing. Dimensions and shape of the screen are determined from projection of part onto support. Screen has square holes, their period, distance between screen and part, and relative size of square being determined in accordance of a certain relationship. EFFECT: increased reliability of procedure. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротермическому машиностроению, в частности к вакуумным установкам для нанесения покрытий в разряде. The invention relates to electrothermal engineering, in particular to vacuum installations for coating in the discharge.

Это изобретение может найти широкое применение в машиностроении, автостроении, химической промышленности. This invention can find wide application in mechanical engineering, automotive, chemical industry.

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). A device for coating in a discharge on dielectrics (I. L. Roikh, L. N. Koltunova, S. N. Fedosov. M. Mechanical Engineering, 1979, p. 7, 15), including a vacuum chamber, a cathode (sprayed target) , anode, substrate with a deposited coating layer, a magnetic deflecting system, an electron emitter (hot cathode).

Недостатком устройства является повреждение обрабатываемой поверхности микродугами, высокая степень загрязненности осадка. The disadvantage of this device is damage to the treated surface by micro-arches, a high degree of contamination of the sediment.

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.Closest to this device is a device for vacuum deposition of coatings in a discharge on dielectrics by spraying a cathode with a low-pressure arc (Powder metallurgy and sprayed coatings. Edited by B. S. Mitin
M. Metallurgy, 1987, p. 694), including a vacuum chamber, an electric arc evaporator, a substrate with negative potential.

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. The disadvantage of this device is the intense heating of the workpiece, in particular the dielectric, in the process of condensation of the coatings, surface damage due to exposure to microarcs and poor adhesion of the coating during orthogonal incidence of the ion flux on the surface of the dielectric.

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. The objective of the present invention is to reduce the temperature of the condensation of coatings on dielectrics in the discharge, to prevent damage to the treated surface by microarcs and to increase the adhesion of coatings during orthogonal incidence of the ion flux onto the surface of the dielectric.

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.In a device containing a vacuum chamber, an electric arc evaporator, a substrate with a negative potential for accommodating the part, the problem is achieved by placing an electrically insulated screen between the electric arc evaporator and the substrate and installing an insulator with a protective casing between the part and the substrate, the electrically insulated screen being made in in the form of a lattice with square holes and a period T = 2Y ₀ -l, the side of the square hole equal to l, the distance between the line of symmetry of two adjacent holes and the far side of one of them is equal to Y ₀ and the distance of the screen part is equal to h, and H _y = h / Y ₀ is the relative distance of the screen part and L l / Y _{0 the} relative value of the side of the square hole of the grating is determined from the ratio

and the geometric dimensions and shape of the electrically insulated screen correspond to the projection of the part onto the substrate.

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. As is known from physics, any isolated body in a plasma acquires a negative potential due to greater electron mobility compared with positive ions. In the process of intense ion bombardment, which takes place during coating deposition, a positive charge accumulates in the surface layer of the dielectric, as a result of which the ion flux density and their energy drop sharply, which leads to a sharp deterioration in the adhesion of the deposited coating. The layer of conductive coating formed on the surface leads to the appearance of intense microarcs at the points of contact of the dielectric with the substrate underneath a negative potential, since it is practically impossible to ensure tight contact between the dielectric and the conductive substrate. In places where there is a gap, local overheating is formed due to the hollow cathode effect, in places where the contact has a small cross section, local overheating is formed due to the high contact resistance. Areas of local overheating are the places where intense microarcs occur, damaging the surface of the treated dielectric. In addition, microarcs arise in other parts of the surface due to the direct effect of the intense flow of charged particles from the electric arc evaporator.

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. Since the above negative effects occur only during processing in discharge, the natural way to solve the problem is to remove the dielectric from the region of intense discharge due to the burning of the electric arc evaporator, which is achieved by placing it in the "shadow" of the insulated screen. Thus, the dielectric is in the discharge between the camera body and the substrate, where the occurrence of microarcs is lower, and damage from them on the dielectric is practically absent due to the fact that this discharge is low current. However, on the other hand, the higher the degree of ionization of the deposited coating material, the higher the adhesion and the lower the optimum condensation temperature, up to room temperature. For this reason, a dielectric and an electrically insulated screen are placed in the center of the discharge, where the degree of ionization is highest.

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. To prevent intense heating of the dielectric (part) from the substrate, as well as the occurrence of microarcs at the points of contact of the dielectric with the substrate during coating, an insulator is placed between the dielectric and the substrate to be treated.

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. A significant effect on the adhesion of the coating has a condensation rate. The low condensation rate allows minimizing the residual stresses on the coating surface, which negatively affects the adhesion level, and eliminating the positive charge accumulating in the surface layer of the dielectric, which reduces the ion flux density, their energy and also sharply worsens the adhesion of the deposited coating.

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. Placing the product in the “shadow” of a continuous electrically insulated screen solves the problem of lowering the temperature of the condensation of coatings on dielectrics in a discharge, but since the condensation rate substantially depends on the angle of incidence of the ion flux, adhesion of the coatings remains unsatisfactory when the ion flux falls onto the surface of the insulated insulator due to the high condensation rates. A decrease in the condensation rate is achieved using an electrically insulated screen made in the form of a lattice, which ensures a decrease in the ion flux density.

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). Due to the remoteness of the electrically insulated screen made in the form of a lattice with square holes from the evaporator, each opening of the lattice can be considered as a square-shaped evaporator. In this case, the condition for equality of the coating thickness in the center and on the edge of the substrate can be written in the form (1) (Roikh I.L. Koltunova L.N. Fedosov S.N. Application of protective coatings in vacuum. M. Mashinostroenie, 1976, p. . 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.The drawing shows a diagram of a device for coating in a discharge on dielectrics, where 1 vacuum chamber, 2 substrate, 3 insulator, 4 - protective housing, 5 workpiece (dielectric), 6 evaporator cathode, 7 electrically insulated screen made in the form of a lattice, 8 is the anode of the evaporator, l is the side size of the square hole of the grating, Y ₀ is the distance between the symmetry line of two adjacent holes and the far side of one of them, h is the distance between the electrically insulated screen and the part.

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. The device operates as follows. In the vacuum chamber 1, an insulator 3 is placed on the substrate 2, covered by a protective housing 4 and a workpiece (dielectric) 5 is placed on it. An insulated screen made in the form of a grating 7 is placed at a certain distance between the part and the cathode of the evaporator 6. After ignition of the electric arc discharge, the anode 8 and the cathode 6 of the evaporator, the flow of positively charged ions of the evaporated material begins to move towards the substrate, which has a negative potential. Part of the ion flux, enveloping the insulated screen 7, reaches the surface of the workpiece 5, since the insulated body in the plasma has a negative potential. Another part of the ion flux passing through the openings of the grating 7 weakens due to the presence of a positive charge in the surface layer of the electrically insulated grating 7, which makes it possible to achieve a low condensation rate of the coatings on the dielectric surface orthogonal to the ion flux. Due to the presence of an electrically insulated screen 7 and insulator 3, there is no intense heating of the workpiece in the process of coating condensation. The geometric dimensions of the electrically insulated screen, made in the form of a lattice, and its distance from the product affect the rate of condensation of the coatings, and therefore their adhesion should be selected individually in each case taking into account formula (1). The protective housing 4 prevents the conductive coating from entering the insulator 3.

Использование предлагаемого устройства по сравнению с существующими позволяет:
1. Понизить температуру нанесения покрытий на диэлектрики.Using the proposed device in comparison with existing allows you to:
1. Lower the temperature of the coating on dielectrics.

2. Повысить качество конденсируемых покрытий за счет предотвращения повреждений от микродуг. 2. Improve the quality of condensable coatings by preventing damage from micro-arcs.

3. Понизить температуру нанесения покрытий на металлы (проводники), помещая их непосредственно на подложку, без промежуточного изолятора. 3. Lower the temperature of the coating on metals (conductors) by placing them directly on the substrate, without an intermediate insulator.

4. Повысить адгезию осаждаемых на диэлектрики покрытий при ортогональном падении ионного потока на поверхность обрабатываемого изделия (детали). 4. To increase the adhesion of coatings deposited on dielectrics during orthogonal incidence of the ion flux on the surface of the workpiece (part).

Claims

1. A device for coating dielectrics in a discharge, containing a vacuum chamber, an electric arc evaporator, a substrate for accommodating the part, connected to the negative terminal of the power source, characterized in that it is equipped with an insulator placed on the substrate with a protective housing mounted on it and an electrically insulated screen in the form of a lattice located between the electric arc evaporator and the protective casing.

2. The device according to claim 1, characterized in that the lattice is made with square holes with a period TY ₀ l, and the relative distance between the screen and the part and the relative size of the side of the square are determined by the following relationships:
H _y h / Y ₀ ; L l / Y ₀ ;

where l is the side of the square hole;
Y _{0 the} distance between the line of symmetry between two adjacent holes and the far side of one of them;
H _{y the} relative distance between the screen and the part;
h is the distance between the screen and the part;
L is the relative value of the side of the square hole.

3. The device according to claim 1, characterized in that the size and shape of the lattice corresponds to the projection of the part onto the substrate.