RU2531373C1 - Device for synthesis of coatings - Google Patents
Device for synthesis of coatings Download PDFInfo
- Publication number
- RU2531373C1 RU2531373C1 RU2013116463/07A RU2013116463A RU2531373C1 RU 2531373 C1 RU2531373 C1 RU 2531373C1 RU 2013116463/07 A RU2013116463/07 A RU 2013116463/07A RU 2013116463 A RU2013116463 A RU 2013116463A RU 2531373 C1 RU2531373 C1 RU 2531373C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hollow cathode
- anode
- grid
- emission
- pole connected
- Prior art date
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title claims abstract description 18
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 21
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 abstract description 29
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 11
- 239000004020 conductor Substances 0.000 abstract description 4
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 abstract description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 17
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 16
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 8
- -1 argon ions Chemical class 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 3
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000036470 plasma concentration Effects 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 240000007175 Datura inoxia Species 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к вакуумно-плазменной технике, а именно к источникам атомов металла, преимущественно для синтеза износостойких нанокомпозитных покрытий на изделиях в вакуумной камере, и к источникам быстрых молекул газа, преимущественно для очистки и нагрева изделий перед синтезом покрытий с целью повышения их адгезии к изделию, а также для бомбардировки поверхности покрытия в процессе синтеза быстрыми молекулами с целью придания покрытию необходимых свойств и дополнительного повышения адгезии в результате увеличения ширины интерфейса (переходного слоя между покрытием и изделием) до нескольких микромеров.The invention relates to vacuum-plasma technology, namely to sources of metal atoms, mainly for the synthesis of wear-resistant nanocomposite coatings on products in a vacuum chamber, and to sources of fast gas molecules, mainly for cleaning and heating products before synthesis of coatings in order to increase their adhesion to the product as well as for bombarding the surface of the coating during synthesis by fast molecules in order to give the coating the necessary properties and further increase adhesion as a result of an increase in width and terfeysa (transition layer between the coating and the article) to several micromeres.
Известен планарный магнетрон, в котором плоская мишень из необходимого металла распыляется ионами из плазмы тлеющего разряда в арочном магнитном поле вблизи поверхности мишени, являющейся катодом разряда (патент США №3878085, 1975 г.). При бомбардировке мишени ионами она эмитирует электроны, которые ускоряются в слое положительного объемного заряда между плазмой и катодом до энергии eUк, где Uк - падение потенциала между плазмой и катодом. Каждый электрон, влетевший в плазму, движется в ней по отрезку окружности, перпендикулярной магнитному полю, возвращается в слой и отражается в нем обратно в плазму. В результате он проходит по замкнутой ломаной криволинейной траектории вблизи поверхности мишени путь, превышающий размеры мишени в сотни и тысячи раз. Это позволяет поддерживать разряд при давлении газа 0,1-1 Па, обеспечивающем транспортировку распыленных атомов до изделий.A planar magnetron is known in which a flat target of the necessary metal is sprayed with ions from a glow discharge plasma in an arched magnetic field near the surface of the target, which is the discharge cathode (US Patent No. 3878085, 1975). When the target is bombarded with ions, it emits electrons that are accelerated in the positive space charge layer between the plasma and the cathode to an energy eU к , where U к is the potential drop between the plasma and the cathode. Each electron flying into the plasma moves in it along a segment of a circle perpendicular to the magnetic field, returns to the layer and is reflected back into the plasma in it. As a result, it passes along a closed broken curved path near the surface of the target, a path exceeding the dimensions of the target by hundreds and thousands of times. This allows you to maintain the discharge at a gas pressure of 0.1-1 Pa, providing transportation of atomized atoms to the products.
Свойства покрытия, синтезируемого с использованием планарного магнетрона, сильно зависят от плотности выделяемой на его поверхности энергии и от способа ее подвода. Если, например, при использовании смеси аргона с азотом на проводящую подложку, установленную вблизи титановой мишени, подают импульсы напряжения до 50 кВ отрицательной полярности длительностью 20 мкс, следующие друг за другом с частотой 25 Гц, то вместо стандартного покрытия из нитрида титана с микротвердостью 2500 HV синтезируется более вязкое нанокомпозитное покрытие толщиной до 50 мкм с микротвердостью 5000 HV и шириной интерфейса более 5 мкм (Ruset С., Grigore Е. The influence of ion implantation on the properties of titanium nitride layer deposited by magnetron sputtering // Surface and Coating Technology. 2002. V.156. P.159-161).The properties of the coating synthesized using a planar magnetron strongly depend on the density of energy released on its surface and on the method of its supply. If, for example, when using a mixture of argon with nitrogen, voltage pulses up to 50 kV of negative polarity of 20 μs duration, following each other at a frequency of 25 Hz, are applied to a conductive substrate mounted near a titanium target, then instead of a standard titanium nitride coating with a microhardness of 2500 HV synthesizes a more viscous nanocomposite coating with a thickness of up to 50 μm with a microhardness of 5000 HV and an interface width of more than 5 μm (Ruset C., Grigore E. The influence of ion implantation on the properties of titanium nitride layer deposited by magnetron sputtering // Surface and Coating Technology . 2002. V.156. P.159 -161).
Основным недостатком планарного магнетрона является низкий коэффициент использования материала мишени, распыляемого лишь на малой площади ее поверхности в области арочного магнитного поля. Кроме того, степень ионизации распыляемых атомов металла не превышает 10%, а концентрация разрядной плазмы снижается за пределами арочного магнитного поля у поверхности подложки на несколько порядков. При расстоянии между мишенью и изделием 0,2 м и выше уже невозможно обеспечить необходимую плотность тока бомбардирующих покрытие ионов, ускоряемых из плазмы подаваемым на подложку отрицательным напряжением. Поэтому для придания покрытию необходимых свойств используют источники ионов или быстрых атомов и молекул.The main disadvantage of a planar magnetron is the low utilization of the target material, sprayed only on a small area of its surface in the area of an arched magnetic field. In addition, the degree of ionization of the atomized metal atoms does not exceed 10%, and the concentration of the discharge plasma decreases by several orders of magnitude outside the arch magnetic field at the surface of the substrate. With a distance between the target and the product of 0.2 m and above, it is already impossible to provide the necessary current density of ions bombarding the coating, accelerated from the plasma by the negative voltage supplied to the substrate. Therefore, to give the coating the necessary properties, sources of ions or fast atoms and molecules are used.
Известны источники широких пучков быстрых молекул, в которых эмиттером ионов является плазма тлеющего разряда при давлении газа около 0,1 Па с электростатическим удержанием электронов в ловушке, образованной полым катодом и отрицательной по отношению к нему эмиссионной сеткой (патент США №6285025, 2001 г.). Ионы ускоряются между плазменным эмиттером и вторичной плазмой внутри вакуумной камеры, отделенными друг от друга эмиссионной сеткой источника с прозрачностью 80%. Сетка поглощает 20% ускоренных ионов, однако остальные поступают через ее отверстия в камеру и в результате столкновений с молекулами газа превращаются в быстрые молекулы. Число быстрых молекул, бомбардирующих поверхность изделия, установленного на расстоянии 0,2 м от сетки источника, заметно превышает число ускоренных ионов.Sources of wide beams of fast molecules are known in which the emitter of the ion is a glow discharge plasma at a gas pressure of about 0.1 Pa with electrostatic confinement of electrons in a trap formed by a hollow cathode and a negative emission network relative to it (US patent No. 6285025, 2001). ) Ions are accelerated between the plasma emitter and the secondary plasma inside the vacuum chamber, separated from each other by the source emission network with a transparency of 80%. The grid absorbs 20% of the accelerated ions, but the rest enters through the openings into the chamber and, as a result of collisions with gas molecules, turn into fast molecules. The number of fast molecules bombarding the surface of the product, installed at a distance of 0.2 m from the source grid, significantly exceeds the number of accelerated ions.
Основными недостатками этих источников являются ограниченная энергия быстрых атомов и молекул и невозможность снизить до нуля содержание в пучке заряженных ионов, которые заряжают поверхность диэлектрических изделий, что приводит к неравномерному распределению плотности тока ионов по поверхности изделия и снижению их энергии, а следовательно, к неравномерности обработки поверхности.The main disadvantages of these sources are the limited energy of fast atoms and molecules and the inability to reduce to zero the content in the beam of charged ions that charge the surface of the dielectric products, which leads to an uneven distribution of the ion current density over the surface of the product and a decrease in their energy, and consequently to uneven processing surface.
Наиболее близким решением по технической сущности к изобретению является устройство для синтеза покрытий, содержащее рабочую вакуумную камеру, эмиссионную сетку, полый катод, перекрытый эмиссионной сеткой, анод внутри полого катода, источник питания разряда, положительным полюсом соединенный с анодом, а отрицательным полюсом - с полым катодом, мишень, установленную на дне полого катода напротив эмиссионной сетки, источник высокого напряжения, который положительным полюсом соединен с полым катодом, а отрицательным полюсом - с мишенью, а также источник сеточного напряжения, положительным полюсом соединенный с анодом, а отрицательным полюсом - с эмиссионной сеткой (Григорьев С.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С. Газоразрядный источник паров металла и быстрых атомов газа // Приборы и техника эксперимента. 2013. Вып.3. С.127-135. Рис.16). Устройство формирует смешанный поток атомов металла и бомбардирующих синтезируемое покрытие быстрых молекул газа, образующихся в рабочей вакуумной камере в результате перезарядки ионов, ускоренных напряжением между плазменным эмиттером внутри полого катода источника и вторичной плазмой внутри рабочей вакуумной камеры, которые отделены друг от друга эмиссионной сеткой. Атомы металла образуются в результате распыления мишени ионами аргона из плазменного эмиттера, ускоренными напряжением до нескольких киловольт между анодом газоразрядной камеры и мишенью. Эти атомы пролетают через плазменный эмиттер, а затем вместе с ускоренными ионами влетают через эмиссионную сетку с прозрачностью 80% в камеру. Из атомов металла и добавляемого к аргону химически активного газа на поверхности установленного в камере диэлектрического или проводящего изделия синтезируется износостойкое покрытие, а образовавшиеся в результате перезарядки ионов быстрые молекулы бомбардируют покрытие в процессе его синтеза. Устройство позволяет синтезировать как проводящие, так и диэлектрические покрытия.The closest solution in technical essence to the invention is a coating synthesis device comprising a working vacuum chamber, an emission grid, a hollow cathode, covered by an emission grid, an anode inside a hollow cathode, a discharge power source connected to the anode with a positive pole and a hollow pole cathode, a target mounted on the bottom of the hollow cathode opposite the emission grid, a high voltage source that is connected to the hollow cathode by a positive pole and a target by the negative pole, and Also, a grid voltage source connected to the anode with a positive pole and an emission grid (Grigoryev S.N., Melnik Yu.A., Metel A.S. Gas-discharge source of metal vapors and fast gas atoms // Instruments and experimental equipment . 2013. Issue 3. S.127-135. Fig. 16). The device forms a mixed stream of metal atoms and fast synthesizing a coating of synthesized coating of fast gas molecules formed in the working vacuum chamber as a result of recharging of ions accelerated by the voltage between the plasma emitter inside the hollow cathode of the source and the secondary plasma inside the working vacuum chamber, which are separated by an emission grid. Metal atoms are formed as a result of sputtering of a target by argon ions from a plasma emitter, accelerated by a voltage of up to several kilovolts between the anode of the gas discharge chamber and the target. These atoms fly through a plasma emitter, and then, together with accelerated ions, fly through an emission network with 80% transparency into the chamber. A wear-resistant coating is synthesized from metal atoms and a chemically active gas added to argon on the surface of a dielectric or conductive article installed in the chamber, and fast molecules formed as a result of ion recharging bombard the coating during its synthesis. The device allows you to synthesize both conductive and dielectric coatings.
Недостатком устройства является невозможность увеличить энергию бомбардирующих синтезируемое покрытие быстрых молекул газа до 0,5 кэВ и выше из-за того, что при непрерывной бомбардировке атомами аргона с такой энергией все осаждаемые на изделии атомы распыляются, а также снизить до нуля содержание в смешанном потоке атомов металла и быстрых молекул газа заряженных ионов, которые заряжают поверхность диэлектрических изделий, что приводит к неравномерному распределению плотности тока ионов по поверхности изделия и снижению их энергии, а следовательно, к неравномерности обработки поверхности.The disadvantage of this device is the inability to increase the energy of fast gas molecules bombarding the synthesized coating to 0.5 keV and higher due to the fact that during continuous bombardment by argon atoms with such energy, all atoms deposited on the product are atomized, as well as to reduce the content in the mixed atom stream to zero metal and fast gas molecules of charged ions that charge the surface of dielectric products, which leads to an uneven distribution of the ion current density over the surface of the product and a decrease in their energy, and consequently, uneven surface treatment.
Технической задачей предложенного решения является создание устройства для синтеза как проводящих, так и диэлектрических покрытий на изделиях из проводящих и диэлектрических материалов, которое обеспечивало бы импульсно-периодическую бомбардировку синтезируемого на ней покрытия молекулами газа с энергией в десятки кэВ и снижение до нуля тока ускоренных ионов на поверхности изделия.The technical objective of the proposed solution is to create a device for the synthesis of both conductive and dielectric coatings on products from conductive and dielectric materials, which would provide a pulse-periodic bombardment of the coating synthesized on it by gas molecules with an energy of tens of keV and a reduction of the accelerated ion current to zero by product surface.
Поставленная задача решается тем, что устройство для синтеза покрытий, содержащее рабочую вакуумную камеру, эмиссионную сетку, полый катод, перекрытый эмиссионной сеткой, анод внутри полого катода, источник питания разряда, положительным полюсом соединенный с анодом, а отрицательным полюсом - с полым катодом, мишень, установленную на дне полого катода напротив эмиссионной сетки, источник высокого напряжения, положительным полюсом соединенный с полым катодом, а отрицательным полюсом - с мишенью, и источник сеточного напряжения, положительным полюсом соединенный с анодом, отличается тем, что дополнительно содержит генератор импульсов высокого напряжения, положительным полюсом соединенный с анодом, а отрицательным полюсом - с эмиссионной сеткой, и высоковольтный диод, положительный вывод диода подключен к эмиссионной сетке, отрицательный вывод диода подключен к отрицательному полюсу источника сеточного напряжения, а анод устройства соединен с рабочей вакуумной камерой.The problem is solved in that a coating synthesis device comprising a working vacuum chamber, an emission grid, a hollow cathode, covered by an emission grid, an anode inside a hollow cathode, a discharge power source connected to the anode by a positive pole and a hollow cathode, by a negative pole, target mounted on the bottom of the hollow cathode opposite the emission grid, a high voltage source connected to the hollow cathode with a positive pole and a target to the negative pole, and a positive voltage source connected to the anode by the pole, characterized in that it additionally contains a high voltage pulse generator, connected to the anode by a positive pole and an emission grid, and a high voltage diode, the positive terminal of the diode connected to the emission grid, the negative terminal of the diode connected to the negative pole a source of grid voltage, and the anode of the device is connected to a working vacuum chamber.
Изобретение поясняется чертежом на Фиг.1, где изображена схема устройства для синтеза покрытий.The invention is illustrated by the drawing in figure 1, which shows a diagram of a device for the synthesis of coatings.
Устройство для синтеза покрытий содержит рабочую вакуумную камеру 1, эмиссионную сетку 2 из осаждаемого металла, полый катод 3, ограниченный эмиссионной сеткой 2, анод 4 внутри полого катода 3, источник 5 питания разряда, положительным полюсом соединенный с анодом 4, а отрицательным полюсом соединенный с полым катодом 3, мишень 6, установленную на дне полого катода 3 напротив эмиссионной сетки 2, источник 7 высокого напряжения, положительным полюсом соединенный с полым катодом 3, а отрицательным полюсом соединенный с мишенью 6, источник 8 сеточного напряжения, положительным полюсом соединенный с анодом 4, а отрицательным полюсом соединенный через высоковольтный диод 9 с эмиссионной сеткой 2, и генератор 10 импульсов высокого напряжения, положительным полюсом соединенный с анодом 4 и отрицательным полюсом соединенный с эмиссионной сеткой 2.The coating synthesis device comprises a working vacuum chamber 1, an emission grid 2 of the deposited metal, a hollow cathode 3 bounded by an emission grid 2, an anode 4 inside the hollow cathode 3, a discharge power source 5 connected to the anode 4 by a positive pole and connected to a negative pole hollow cathode 3, target 6 mounted on the bottom of the hollow cathode 3 opposite the emission grid 2, a high voltage source 7 connected to the hollow cathode 3 by a positive pole and a grid source 8 connected to the target 6, voltage positive pole connected to the anode 4 and the negative terminal is connected through a high voltage diode 9 with emission grid 2, the generator 10 and high-voltage pulses, a positive pole connected to the anode 4 and the negative pole connected to the grid 2 emission.
Устройство для синтеза покрытий работает следующим образом.A device for the synthesis of coatings works as follows.
Рабочую вакуумную камеру 1 с обрабатываемым диэлектрическим изделием 11 внутри нее откачивают до давления 1 мПа, затем подают в камеру 1 рабочий газ, например смесь аргона с азотом (15%), и увеличивают давление в камере 1 до 0,5 Па. Включением источника 5 прикладывают между анодом 4 и полым катодом 3 напряжение UK около 300 В. Включением источника 8 прикладывают между анодом 4 и эмиссионной сеткой 2 напряжение Uc, в несколько раз превышающее напряжение Uк, что необходимо для предотвращения ухода из полого катода 3 эмитированных им быстрых электронов через отверстия сетки 2. С помощью поджигающего устройства (не показано) зажигают газовый разряд между анодом 4 и полым катодом 3. В результате полый катод 3 заполняется однородным плазменным эмиттером 12, отделенным от поверхности полого катода 3 слоем положительного объемного заряда 13, от мишени 6 - слоем 14, а от сетки 2 - слоем 15.The working vacuum chamber 1 with the dielectric article 11 being processed inside is pumped out to a pressure of 1 MPa, then a working gas, for example, a mixture of argon and nitrogen (15%), is supplied to the chamber 1, and the pressure in the chamber 1 is increased to 0.5 Pa. By turning on the source 5, a voltage of UK of about 300 V is applied between the anode 4 and the hollow cathode 3. By turning on the source 8, a voltage U c is applied between the anode 4 and the emission grid 2 several times higher than the voltage U k , which is necessary to prevent the emitted from the hollow cathode 3 fast electrons through the holes of the grid 2. Using a firing device (not shown), a gas discharge is ignited between the anode 4 and the hollow cathode 3. As a result, the hollow cathode 3 is filled with a uniform plasma emitter 12 separated from the surface and the hollow cathode layer 3 positive space charge 13, from the target 6 - layer 14 and the grid 2 - layer 15.
При Uс≥1 кВ и равной 50 А/м2 плотности тока ионов аргона из плазменного эмиттера на катод 3, на мишень 6 и на сетку 2 ширина d слоя 15 между сеткой 2 и плазменным эмиттером 12 превышает радиус 2,3 мм отверстий сетки 2, просверленных на расстоянии 5 мм между их центрами, что исключает вытекание плазмы 12 из полого катода 3 в камеру 1. При энергии 1 кэВ ускоренных в слое 15 ионов и плотности молекул no=1020 м-3 (соответствующей при комнатной температуре газа давлению 0,4 Па) длина перезарядки ионов аргона λп=1/σпno, где σп=2,7×10 м2 - сечение перезарядки ионов аргона с энергией 1 кэВ, равна 37 мм, что в 16 раз больше ширины d слоя 13. Ионы 16, ускоренные в слое 15 и прошедшие через отверстия сетки 2, тормозятся в слое 17 между сеткой 2 и вторичной плазмой 18 в камере 1 и возвращаются обратно к сетке 2. Границы слоев 15 и 17 при напряжении на сетке 1 кВ показаны на Фиг.1 штриховыми линиями. Плазма 18 образована слаботочным разрядом между сеткой 2, являющейся его катодом, и камерой 1, являющейся его анодом. Поэтому концентрация плазмы 18 значительно меньше концентрации плазмы 12, ее потенциал практически равен потенциалу заземленной камеры 1, а ширина слоя 17 в несколько раз превышает ширину d слоя 15. После нескольких осцилляций через сетку 2 все ионы попадают на ее поверхность, причем их средний путь до нее не превышает 1 см. Это существенно меньше длины перезарядки λп=37 мм, что практически полностью исключает образование в слоях 15 и 17 быстрых нейтральных атомов и молекул.At U with ≥1 kV and equal to 50 A / m 2, the current density of argon ions from the plasma emitter to the cathode 3, to the target 6, and to the grid 2, the width d of the layer 15 between the grid 2 and the plasma emitter 12 exceeds the radius of 2.3 mm of the grid openings 2, drilled at a distance of 5 mm between their centers, which eliminates the outflow of plasma 12 from the hollow cathode 3 into chamber 1. At an energy of 1 keV accelerated in the layer of 15 ions and a molecular density of n o = 10 20 m -3 (corresponding to gas at room temperature pressure 0.4 Pa) the length of the charge exchange of argon ions λ p = 1 / σ p n o , where σ p = 2.7 × 10 m 2 - section of the charge exchange of argon ions with an energy of 1 keV, is 37 mm, which is 16 times the width d of layer 13. Ions 16, accelerated in layer 15 and passing through the holes of grid 2, are inhibited in layer 17 between grid 2 and secondary plasma 18 in chamber 1 and return back to grid 2. The boundaries of the layers 15 and 17 at a voltage of 1 kV on the grid are shown in dashed lines in FIG. Plasma 18 is formed by a low-current discharge between the grid 2, which is its cathode, and the chamber 1, which is its anode. Therefore, the plasma concentration 18 is much lower than the plasma concentration 12, its potential is almost equal to the potential of the grounded chamber 1, and the width of the layer 17 is several times greater than the width d of the layer 15. After several oscillations through the grid 2, all ions fall on its surface, and their average path to it does not exceed 1 cm. This is significantly less than the charge exchange length λ n = 37 mm, which almost completely excludes the formation of 15 fast and neutral atoms and molecules in layers 15 and 17.
При подаче на мишень 6 напряжения 2 кВ от источника 7 ионы 19 ускоряются в слое 14 и с энергией более 2 кэВ бомбардируют и распыляют мишень 6. Образующиеся в результате ее распыления атомы 20 металла через отверстия эмиссионной сетки 2 влетают в камеру 1 и осаждаются на изделии 11.When a voltage of 2 kV from source 7 is applied to the target 6, ions 19 are accelerated in the layer 14 and bombard and spray the target 6 with an energy of more than 2 keV 6. The metal atoms 20 formed as a result of sputtering through the holes of the emission network 2 fly into the chamber 1 and settle on the product eleven.
При подаче на сетку 2 импульса напряжения амплитудой 40 кВ ширина d слоя 15 между плазменным эмиттером 12 и сеткой 2 при той же плотности тока ионов 50 А/м2 возрастает до d=0,037 м. При энергии ионов аргона ε=40 кэВ сечение их перезарядки уменьшается до λп=10 м, а длина перезарядки возрастает до λп=1/σпno=0,1 м. Это больше ширины d=0,37 м слоя 15, но меньше суммы ширин слоев 15 и 17. Поэтому при пролете ионов 16 между показанными на Фиг.1 сплошными линиями границами плазменного эмиттера 12 и вторичной плазмы 18 практически все они превращаются в результате столкновений с молекулами газа в быстрые атомы и молекулы 21, бомбардирующие синтезируемое на изделии 11 покрытие. Лишь незначительное количество ионов, долетевших до границы вторичной плазмы 18, отражается от нее и возвращается на сетку 2. Так как энергия быстрого атома или молекулы соответствует разности потенциалов между эмиссионной сеткой и точкой в слое 15 или в слое 17, где произошла перезарядка, эта энергия распределена непрерывно от нуля до 40 кэВ, причем при длине перезарядки λп, превышающей ширину d слоя 15 в несколько раз, максимум распределения смещен в сторону максимальной энергии ионов ε=40 кэВ.When a voltage pulse with an amplitude of 40 kV is applied to grid 2, the width d of layer 15 between the plasma emitter 12 and grid 2 at the same ion current density of 50 A / m 2 increases to d = 0.037 m. When the argon ion energy ε = 40 keV, the charge exchange cross section decreases to λ p = 10 m, and the recharge length increases to λ p = 1 / σ p n o = 0.1 m. This is more than the width d = 0.37 m of layer 15, but less than the sum of the widths of layers 15 and 17. Therefore during the passage of ions 16 between the solid lines shown in FIG. 1, the boundaries of the plasma emitter 12 and the secondary plasma 18, practically all of them turn as a result of a collision with molecules of gas into fast atoms and molecules 21, bombarding the coating synthesized on the product 11. Only a small number of ions reaching the boundary of the secondary plasma 18 is reflected from it and returns to grid 2. Since the energy of a fast atom or molecule corresponds to the potential difference between the emission network and the point in layer 15 or in layer 17 where the charge exchange took place, this energy is distributed continuously from zero to 40 keV, and with a recharge length λ p several times greater than the width d of layer 15, the distribution maximum is shifted toward the maximum ion energy ε = 40 keV.
Использование генератора импульсов высокого напряжения, соединенного положительным полюсом с анодом, а отрицательным - с эмиссионной сеткой, позволяет увеличить суммарную ширину слоев между плазменным эмиттером и эмиссионной сеткой, а также между эмиссионной сеткой и вторичной плазмой в камере до величины, превышающей длину перезарядки ионов, что обеспечивает генерацию нейтральных молекул газа с энергией в десятки кэВ и импульсно-периодическую бомбардировку ими как проводящих, так и диэлектрических покрытий на изделиях из проводящих и диэлектрических материалов.The use of a high voltage pulse generator connected by a positive pole to the anode and a negative pole with an emission grid allows one to increase the total layer width between the plasma emitter and the emission grid, and also between the emission grid and the secondary plasma in the chamber to a value exceeding the ion recharge length, which provides generation of neutral gas molecules with an energy of tens of keV and pulse-periodic bombardment by them of both conductive and dielectric coatings on products from conductive and dielectric materials.
Использование высоковольтного диода, положительный вывод которого подключен к эмиссионной сетке, а отрицательный вывод подключен к отрицательному полюсу источника сеточного напряжения, защищает источник сеточного напряжения от отрицательного воздействия на него импульсов с амплитудой до 40 кВ, что обеспечивает безаварийную работу устройства.Using a high-voltage diode, the positive terminal of which is connected to the emission grid, and the negative terminal is connected to the negative pole of the grid voltage source, protects the grid voltage source from the negative impact of pulses with an amplitude of up to 40 kV, which ensures trouble-free operation of the device.
Соединение анода устройства с рабочей вакуумной камерой обеспечивает равенство потенциалов плазменного эмиттера ионов и вторичной плазмы в рабочей вакуумной камере и отражение границей вторичной плазмы ускоренных ионов, не превратившихся в быстрые нейтральные атомы и молекулы, обратно в направлении эмиссионной сетки, что обеспечивает снижение тока ускоренных ионов на поверхности изделия до нуля.The connection of the device’s anode with the working vacuum chamber ensures equal potentials of the plasma emitter of ions and secondary plasma in the working vacuum chamber and the reflection by the boundary of the secondary plasma of accelerated ions that have not turned into fast neutral atoms and molecules back in the direction of the emission network, which reduces the accelerated ion current by surface of the product to zero.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство для синтеза покрытий позволяет синтезировать вязкие нанокомпозитные покрытия с повышенной микротвердостью и интерфейсом шириной до 5 мкм и более. Это обеспечивает более высокую адгезию и износостойкость покрытий.Compared with the prototype, the proposed device for the synthesis of coatings allows you to synthesize viscous nanocomposite coatings with high microhardness and an interface with a width of 5 microns or more. This provides higher adhesion and wear resistance of coatings.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, неизвестной на дату приоритета из уровня техники, необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.The analysis of the claimed technical solution for compliance with the conditions of patentability showed that the characteristics indicated in the independent claim are interrelated with each other with the formation of a stable population, unknown at the priority date from the prior art, of the necessary features sufficient to obtain the required synergistic (over-total) technical result.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed technical solution:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для синтеза как проводящих, так и диэлектрических покрытий на изделиях из проводящих и диэлектрических материалов;- the object embodying the claimed technical solution, in its implementation is intended for the synthesis of both conductive and dielectric coatings on products from conductive and dielectric materials;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в нижеизложенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;- for the claimed object in the form described in the formula below, the possibility of its implementation using the methods and methods described above or known from the prior art on the priority date is confirmed;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- the object embodying the claimed technical solution, when implemented, is able to ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.
Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Therefore, the claimed subject matter meets the requirements of the patentability conditions of “novelty”, “inventive step” and “industrial applicability” under applicable law.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013116463/07A RU2531373C1 (en) | 2013-04-11 | 2013-04-11 | Device for synthesis of coatings |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013116463/07A RU2531373C1 (en) | 2013-04-11 | 2013-04-11 | Device for synthesis of coatings |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2013116463A RU2013116463A (en) | 2014-10-20 |
| RU2531373C1 true RU2531373C1 (en) | 2014-10-20 |
Family
ID=53380168
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013116463/07A RU2531373C1 (en) | 2013-04-11 | 2013-04-11 | Device for synthesis of coatings |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2531373C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2583378C1 (en) * | 2014-11-18 | 2016-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") | Apparatus for synthesis of nanostructured coatings |
| RU2702752C1 (en) * | 2018-11-28 | 2019-10-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Device for synthesis of coatings |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2035789C1 (en) * | 1992-04-15 | 1995-05-20 | Научно-производственное предприятие "Новатех" | Process of generation of beam of accelerated particles in technological vacuum chamber |
| RU2052540C1 (en) * | 1992-05-22 | 1996-01-20 | Михаил Иванович Мартынов | Film coating deposition method |
| US6285025B1 (en) * | 1996-03-25 | 2001-09-04 | Novatech | Source of fast neutral molecules |
| RU92240U1 (en) * | 2009-11-11 | 2010-03-10 | Учреждение Российской Академии Наук Институт Сильноточной Электроники Сибирского Отделения Ран (Исэ Со Ран) | DEVICE FOR APPLICATION OF OXIDE COMPOSITE COATINGS |
-
2013
- 2013-04-11 RU RU2013116463/07A patent/RU2531373C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2035789C1 (en) * | 1992-04-15 | 1995-05-20 | Научно-производственное предприятие "Новатех" | Process of generation of beam of accelerated particles in technological vacuum chamber |
| RU2052540C1 (en) * | 1992-05-22 | 1996-01-20 | Михаил Иванович Мартынов | Film coating deposition method |
| US6285025B1 (en) * | 1996-03-25 | 2001-09-04 | Novatech | Source of fast neutral molecules |
| RU92240U1 (en) * | 2009-11-11 | 2010-03-10 | Учреждение Российской Академии Наук Институт Сильноточной Электроники Сибирского Отделения Ран (Исэ Со Ран) | DEVICE FOR APPLICATION OF OXIDE COMPOSITE COATINGS |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 1. * |
| Григорьев С.Н., Газоразрядный источник паров металла и быстрых атомов газа, Приборы и техника эксперимента. 2013. Вып.3. С.127-135. Рис.16. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2583378C1 (en) * | 2014-11-18 | 2016-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") | Apparatus for synthesis of nanostructured coatings |
| RU2702752C1 (en) * | 2018-11-28 | 2019-10-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Device for synthesis of coatings |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2013116463A (en) | 2014-10-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ryabchikov et al. | High intensity metal ion beam generation | |
| US20090066212A1 (en) | Apparatus and Process for Generating, Accelerating and Propagating Beams of Electrons and Plasma | |
| SG186722A1 (en) | Arc deposition source having a defined electric field | |
| US7622721B2 (en) | Focused anode layer ion source with converging and charge compensated beam (falcon) | |
| Kazakov et al. | Generation of millisecond low-energy large-radius electron beam by a forevacuum plasma-cathode source | |
| Poolcharuansin et al. | Plasma parameters in a pre-ionized HiPIMS discharge operating at low pressure | |
| RU2531373C1 (en) | Device for synthesis of coatings | |
| Ryabchikov et al. | Vacuum arc ion and plasma source Raduga 5 for materials treatment | |
| Ryabchikov et al. | High-current-density gas ion ribbon beam formation | |
| US7579578B2 (en) | Advanced multipurpose pseudospark switch having a hollow cathode with a planar spiral electrode and an aperture | |
| Metel | Plasma immersion ion implantation based on glow discharge with electrostatic confinement of electrons | |
| RU2373603C1 (en) | Source of fast neutral atoms | |
| Kazakov et al. | Influence of electron beam generation on the parameters and emission characteristics of a constricted arc discharge in a pulsed forevacuum plasma-cathode electron source | |
| Weijie et al. | Theoretical model and experimental investigation optically triggered hollow-cathode discharge formation | |
| RU2583378C1 (en) | Apparatus for synthesis of nanostructured coatings | |
| Anders et al. | Measurements of secondary electrons emitted from conductive substrates under high-current metal ion bombardment | |
| RU2649904C1 (en) | Device for synthesis and deposition of metal coatings on current-conducting articles | |
| RU2581618C1 (en) | Method of generating beams of fast electrons in gas-filled space and device therefor (versions) | |
| RU2658623C1 (en) | Device for synthesis of coatings on dielectric products | |
| RU2726223C1 (en) | Magnetron sprayer | |
| RU2716133C1 (en) | Source of fast neutral molecules | |
| RU2657896C1 (en) | Device for coating synthesis | |
| RU2702752C1 (en) | Device for synthesis of coatings | |
| Welzel et al. | Determination of energy modulations of negative oxygen ions during pulsed magnetron sputtering of magnesium oxide | |
| ES2883198T3 (en) | Spraying arrangement and procedure for optimized energy flow distribution |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180412 |