PL184978B1 - Sposób otrzymywania powłok - Google Patents

Abstract

Sposób otrzymywania powłok, zwłaszcza materiałów twardych w próriii przy vy/korzystaniu środowiska plazmowego, polegający na odparowaniu materiału katody oraz anody za pomocą wyładowania łukowego, znamienny tym, że po wywołaniu w obszarze międzyelektrodowym wyładowania łukowego rozdziela się prąd wyładowania między odparowywaną anodę oraz anodę dodatkową.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania powłok, zwłaszcza materiałów twardych w próżni przy wykorzystaniu środowiska plazmowego, mający zastosowanie głównie w przemyśle elektronicznym, optycznym i maszynowym.

Znane są z monografii N. A. G. Ahmeda pt. Ion Plating Technology, J. Wiley & Sons, Chichester 1987, sposoby otrzymywania powłok materiałów trudnotopliwych przy zastosowaniu plazmy wyładowania łukowego w próżni. Sposoby te wykorzystują proces odparowania materiału z chłodzonej katody urządzenia stanowiącej źródło plazmy. Przy odparowaniu materiału z relatywnie zimnej katody, źródłem par są niewielkie, maksymalnie o średnicy do 100 pm obszary tzw. plamek katodowych, w których skupiony jest cały prąd wyładowania. Z powodu wydzielania się w nich bardzo dużych gęstości mocy, w ich obszarze panuje temperatura wielokrotnie przewyższająca temperaturę wrzenia materiału katody. W rezultacie następuje intensywne odparowanie i jonizacja materiału katody. Szybkość parowania, a tym samym szybkość wzrostu powłoki zależy od wielkości prądu łuku próżniowego. W przypadku, gdy łuk jarzy się w rozrzedzonym gazie reaktywnym, jakim jest na przykład tlen czy azot, materiał katody reaguje z jego atomami tworząc na przylegających do obszaru łuku powierzchniach elementów trudnotopliwe twarde związki (tlenki, azotki). W opisywanej metodzie źródła par jakimi są katody można umieszczać w dowolnym miejscu komory próżniowej, a także można odparowywać jednocześnie kilka katod, co pozwala osadzać powłoki wieloskładnikowe lub/i wielowarstwowe na elementach o złożonej powierzchni z zachowaniem dużej jednorodności grubości powłoki. Wadą sposobu odparowania łukiem elektrycznym z zimną katodą jest występowanie w materiale powłoki mikrokropli roztopionego materiału katody, powodujące pogorszenie jej właściwości fizyko-mechanicznych. Wielkość frakcji mikrokropelkowej zwiększa się przy obniżaniu temperatury topnienia materiału katody, w rezultacie czego osadzenie powłok aluminium lub jego związków o zadowalającej jakości jest praktycznie niemożliwe.

Znane są też z monografii R. A. Haefera pt. Oberflachen- und Dunnschicht-Technologie, Springer, Berlin, 1897 oraz R. F. Bunshaha pt. Deposition Technologies for Films and Coatings, Noyes, N. J. 1982 sposoby odparowania łukowego z gorącą elektrodą, w charakterze której można używać zarówno katodę jak i anodę. Sposoby te wykorzystują proces nagrzewania materiału i jego odparowania przy użyciu wiązki elektronowej. W praktyce najczęściej stosowana w charakterze źródła par jest rozgrzana do wysokiej temperatury anoda. Pary materiału anody sąjonizowane w strefie wiązki elektronowej w celu uzyskania plazmy. Do wytworzenia wiązki elektronowej, używa się wyrzutni elektronowych rozmaitej konstrukcji, generujących wiązkę zwykle o natężeniu do 1 A przy zastosowaniu napięcia przyśpieszającego do 10kV. Stabilizacja prądu i napięcia wiązki musi być bardzo wysoka, ze względu na konieczność podtrzymania stabilnej mocy grzania anody, co jest spowodowane wykładniczą zależnością szybkości parowania od temperatury źródła par. Z tego powodu trudno uzyskać stabilne warunki procesu osadzania powłok, co stanowi jego istotną wadę. Drugą wadą jest konieczność osadzania powłok na detalach umieszczonych w górnej części komory próżniowej, ze

184 978 względu na fakt, że źródło par stanowi ciekły metal. Jest to niekorzystne w szeregu zastosowań sposobu, gdyż znacznie ogranicza asortyment pokrywanych elementów i detali.

Znany jest też z opisu patentowego PL 152210 sposób osadzania materiałów trudnotopliwych przy pomocy urządzenia impulsowo-plazmowego wspomaganego wyładowaniem jarzeniowym. W odróżnieniu od wcześniej opisanych, źródłem par metali wchodzących w reakcję z atomami gazu reaktywnego jest zarówno rozpylany w czasie wyładowania jarzeniowego materiał katody, jak i materiał anody urządzenia, przy której powierzchni następuje powstawanie ogniska plazmowego, tak zwanego pinczu plazmowego, o bardzo wysokiej temperaturze i gęstości. Sposób ten umożliwia uzyskania powłok złożonych, na przykład aluminoazotku tytanu TiAlN. Ponieważ jednak sposób ten wykorzystuje zjawisko rozpylania jonowego, charakteryzującego się znacznie mniejszymi szybkościami osadzania w odróżnieniu od omawianego wcześniej zjawiska odparowania łukiem elektrycznym, jego obszar praktycznego zastosowania jest znacznie ograniczony.

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania powłok, zwłaszcza materiałów twardych w próżni przy wykorzystaniu środowiska plazmowego, polegający na odparowaniu materiału katody oraz anody za pomocą wyładowania łukowego, przy czym po wywołaniu w obszarze międzyelektrodowym wyładowania łukowego rozdziela się prąd wyładowania między odparowywaną anodę oraz anodę dodatkową.

Zaletą wynalazku jest zwiększenie współczynnika efektywności wykorzystania materiału obu elektrod oraz możliwość osadzania powłok wieloskładnikowych, których materiały wyjściowe znacznie się różnią temperaturami topnienia.

Sposób osadzania według wynalazku zostanie bliżej wyjaśniony na przykładzie realizacji procesu osadzania powłoki aluminoazotku tytanu TiAlN.

W odpompowywanej komorze próżniowej umieszcza się ochłodzoną wodą katodę tytanową oraz anodę aluminiową umieszczoną w ceramicznej obudowie usytuowanej na doprowadzającym prąd chłodzonym przepuście próżniowym. Komorę odpompowuje się wstępnie do ciśnienia o wartości 10’³ Pa a następnie wprowadza się do niej gaz reaktywny, w omawianym przypadku azot, w takiej ilości aby utrzymać w niej ciśnienie rzędu 10'¹- 1 Pa. Po osiągnięciu wymaganego ciśnienia, do katody i anody doprowadza się poprzez układ rozdzielacza prądu wyładowania niskie napięcie rzędu 20-30 V z wysokoprądowego zasilacza i inicjuje się, za pomocą układu zapalającego łuk elektryczny o prądzie wyładowania około 100 A. Powstały w obszarze międzyelektrodowym łuk elektryczny ogrzewa katodę prądem jonowym, zaś anodę prądem elektronowym. Różnice wielkości między oboma wymienionymi prądami kompensowane są zarówno wielkościami spadku napięcia w obszarze anodowym i katodowym, co powoduje w miarę jednakowe wielkości mocy wydzielanej na obu elektrodach. Po zapaleniu łuku, steruje się precyzyjnie wielkością prądu elektronowego łuku, a tym samym mocą wydzielaną na odparowywanej anodzie w ten sposób, że po osiągnięciu wymaganej temperatury odparowywanego materiału anody utrzymuje się jego wielkość na zadanym poziomie. Nadwyżkę prądu elektronowego kieruje się za pomocą rozdzielacza na anodę dodatkową którą w opisywanym przykładzie stanowią ściany komory próżniowej. Odparowany z katody tytan i aluminium z anody wraz ze zjonizowanymi atomami azotu dociera do umieszczonego na przeciwko wylotu urządzenia podłoża, na którego powierzchni tworzy się powłoka odpornego na zużycie, twardego aluminoazotku tytanu TiAlN.

184 978

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz

Cena 2,00 zł.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób otrzymywania powłok, zwłaszcza materiałów twardych w próżni przy wykorzystaniu środowiska plazmowego, polegający na odparowaniu materiału katody oraz anody za pomocą wyładowania łukowego, znamienny tym, że po wywołaniu w obszarze międzyelektrodowym wyładowania łukowego rozdziela się prąd wyładowania między odparowywaną anodę oraz anodę dodatkową.