RU2063472C1 - Method and apparatus for plasma treatment of pieces - Google Patents
Method and apparatus for plasma treatment of pieces Download PDFInfo
- Publication number
- RU2063472C1 RU2063472C1 RU93030148A RU93030148A RU2063472C1 RU 2063472 C1 RU2063472 C1 RU 2063472C1 RU 93030148 A RU93030148 A RU 93030148A RU 93030148 A RU93030148 A RU 93030148A RU 2063472 C1 RU2063472 C1 RU 2063472C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- parts
- pieces
- stream
- source
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к техника обработки поверхности изделий, в частности, к бесконтактным методам обработки материалов высококонцентрированными потоками энергии с использованием вакуумной плазменной технологии. Изобретение предназначено для нанесения на поверхность деталей тонкопленочных защитных или декоративных покрытий, включая диэлектрические и полупроводниковые, а также для подготовки изделий под покрытие (очистка, травление, ионное легирование). The invention relates to techniques for surface treatment of products, in particular, to non-contact methods of processing materials with highly concentrated energy flows using vacuum plasma technology. The invention is intended for applying to the surface of parts of thin-film protective or decorative coatings, including dielectric and semiconductor, as well as for preparing products for coating (cleaning, etching, ion doping).
Изобретение может быть использовано в машиностроении, микроэлектронике, легкой и других отраслях промышленности для очистки и травления материалов подложек, для нанесения износостойких, корроэионностойких, высокотвердых, жаропрочных, декоративных и др. покрытий из различных металлов, их окислов, нитридов, карбидов, а также неметаллических составов, особенно для получения на деталях тонкопленочных покрытий с зеркальным блеском. The invention can be used in mechanical engineering, microelectronics, light and other industries for cleaning and etching substrate materials, for applying wear-resistant, corrosion-resistant, high-hard, heat-resistant, decorative and other coatings from various metals, their oxides, nitrides, carbides, as well as non-metallic compositions, especially for obtaining on the details of thin-film coatings with a mirror sheen.
Обработка материалов потоком ионов в простейшем случае эаключается в погружении обрабатываемой поверхности в плазму, создаваемую в электрическом газовом разряде при подаче на эту поверхность отрицательного потенциала. Поверхность подключают через источник ЭДС к отрицательному электроду разряда. При достаточно высоком значении отрицательного потенциала на поверхность поступает ионный ток насыщения, происходит нагрев и распыление материала [ 1] Плазменные методы генерации ионизированных потоков реализуются для технических целей генераторами плазмы с несамостоятельным дуговым разрядом в среде инертных газов. In the simplest case, the processing of materials by an ion flux involves the immersion of the treated surface in a plasma created in an electric gas discharge when a negative potential is applied to this surface. The surface is connected through an emf source to a negative discharge electrode. At a sufficiently high value of the negative potential, an ionic saturation current enters the surface, the material is heated and sputtered [1] Plasma methods for generating ionized flows are implemented for technical purposes by plasma generators with a non-self-sustaining arc discharge in an inert gas medium.
Наиболее близким к предлагаемому является способ получения плазменных покрытий, включающий нагрев и очистку поверхности воздействием в динамическом вакууме 10-2 мм рт.ст. на обрабатываемую поверхность потока плаэмообразующего газа водорода и формирование на ней покрытия толщиной 0,3 мм напылением порошков с размером 10.15 мкм, предварительно нагретых до 50.100oС, доставляемых на поверхность детали транспортирующим газом аргоном [2]
Недостаток этого способа состоит в том, что материал покрытия наносится на поверхность детали в виде мелкокристаллического порошка или жидких капель. В результате покрытие имеет неравномерную плотность или "рыхлую структуру", "островную структуру", особенно в случае малой толщины пленки. Известный способ не позволяет получить покрытия с толщиной пленки 0,05.0,08 мкм. Эти недостатки приводят к появлении при обработке известным способом большого количества некондиционных деталей и неоправданно высокому расходу дефицитных материалов, а следовательно, к высокой себестоимости продукции.Closest to the proposed is a method for producing plasma coatings, including heating and surface cleaning by exposure to a dynamic vacuum of 10 -2 mm RT.article on the treated surface of the flow of flame-forming hydrogen gas and the formation on it of a coating with a thickness of 0.3 mm by spraying powders with a size of 10.15 microns, preheated to 50.100 o C, delivered to the surface of the part with argon transporting gas [2]
The disadvantage of this method is that the coating material is applied to the surface of the part in the form of fine crystalline powder or liquid droplets. As a result, the coating has an uneven density or “loose structure”, “island structure”, especially in the case of a small film thickness. The known method does not allow to obtain coatings with a film thickness of 0.05.0.08 μm. These shortcomings lead to the appearance during processing in a known manner of a large number of substandard parts and unreasonably high consumption of scarce materials, and consequently to a high cost of production.
Известно устройство для обработки изделий в вакууме, которое содержит размещенные в технологической вакуумной камере источник плаэмообраэования, включающий тороидальную разрядную камеру с анодом и газовым коллектором, катод, установленный за тороидальной камерой со стороны выходных отверстий газового коллектора, систему электропитания. В вакуумной камере перед выходным соплом источника плазмообразования размещен держатель обрабатываемых изделий. Вакуумную камеру откачивают до давления порядка 0,0001 Па, затем по системе подачи газа подаст в разрядную камеру газ и устанавливают необходимый его расход через газовый коллектор. На анод и катод подаст постоянное напряжение, в разрядной камере возбуждается разряд, интенсивность которого повышается за счет того, что разрядная камера размещена между магнитами с полюсными наконечниками на их противоположных торцах, одноименные полюса которых ориентированы в одну сторону, а анод выполнен в виде колец, расположенных коаксиально магнитам. Ионы газового разряда движутся в сторону катода и, достигая держателя, производят обработку закрепленных на нем изделий. [3] Такое выполнение позволяет увеличить производительность устройства за счет интенсификации разряда, однако не может гарантировать высокую равномерность толщины нанесенного покрытия и отсутствие брака из-за того, что конструкция устройства не обеспечивает одинаковое воздействие потока плазмы на все поверхности деталей. Это ограничивает количество одновременно обрабатываемых деталей и не позволяет получить высокую стабильность качества продукции. Разнородность качества обработанных деталей, ограничения по производительности, возможность возникновения дуговых разрядов на поверхности обрабатываемых деталей является недостатками известного устройства. A device for processing products in a vacuum is known, which contains a flame source located in a technological vacuum chamber, including a toroidal discharge chamber with an anode and a gas collector, a cathode installed behind the toroidal chamber from the side of the gas manifold outlet openings, and a power supply system. In the vacuum chamber in front of the output nozzle of the plasma source is placed the holder of the processed products. The vacuum chamber is pumped out to a pressure of the order of 0.0001 Pa, then it will supply gas to the discharge chamber through the gas supply system and establish its necessary flow rate through the gas manifold. A constant voltage will be applied to the anode and cathode, a discharge is excited in the discharge chamber, the intensity of which increases due to the fact that the discharge chamber is placed between magnets with pole tips at their opposite ends, whose poles of the same name are oriented in one direction, and the anode is made in the form of rings, coaxial to magnets. Gas discharge ions move toward the cathode and, reaching the holder, process the products attached to it. [3] This embodiment allows to increase the productivity of the device due to the intensification of the discharge, but cannot guarantee a high uniformity of the thickness of the applied coating and the absence of marriage due to the fact that the design of the device does not provide the same effect of the plasma flow on all surfaces of the parts. This limits the number of simultaneously processed parts and does not allow to obtain high stability of product quality. The heterogeneity of the quality of the machined parts, performance limitations, the possibility of arcing on the surface of the machined parts are the disadvantages of the known device.
Цель изобретения повышение экономической эффективности технологического процесса путем улучшения качества обработки деталей при одновременном снижении расхода материалов за счет равномерности обработки поверхности и нанесения покрытий оптимальной толщины, повышение производительности установки для обработки деталей при исключении возможности возникновения дуговых разрядов на поверхности деталей на этапе формирования покрытия. The purpose of the invention is to increase the economic efficiency of the technological process by improving the quality of processing parts while reducing material consumption due to the uniformity of surface treatment and coating of optimal thickness, increasing the productivity of the installation for processing parts while eliminating the possibility of arc discharges on the surface of parts at the stage of coating formation.
Указанная цель достигается тем, что способ плазменной обработки деталей, включающий нагрев и очистку поверхности воздействием в динамическом вакууме на обрабатываемую деталь плазменного потока и формирование на ней тонкопленочного покрытия осуществляют в две стадии, на первой проводят очистку поверхности и нагрев детали ионизованным потоком плазмообразующего газа, подавая после введения деталей в плазменный поток на их поверхность электрический потенциал смещения при энергии ионов в потоке не ниже 1,5 потенциалов ионизации газа, а на второй формируют тонкопленочное покрытие путем осаждения ионов материала покрытия из плазмы, стабилизированной магнитным полем, причем процесс в целом или его стадии проводят с регулированием электронного тока в скрещенных электрическом и магнитном полях. Кроме того, для повышения равномерности обработки поверхностей деталей, их перемещают в плазменном потоке, обеспечивая бомбардировку поверхности ионами под прямым утлом. Симметричные детали в плазменном потоке вращают в плоскости, параллельной оси потока. В плазменном потоке ограничивают движение электронов в направлении, противоположном течению плазмы. This goal is achieved by the fact that the method of plasma processing of parts, including heating and surface cleaning by applying a plasma stream to a workpiece in a dynamic vacuum and forming a thin film coating on it, is carried out in two stages, at the first, the surface is cleaned and the part is heated by an ionized plasma-forming gas flow, feeding after the parts are introduced into the plasma stream on their surface, the electric bias potential at the ion energy in the stream is not lower than 1.5 gas ionization potentials, and the second form a thin film coating by deposition of ions of the coating material from a plasma stabilized by a magnetic field, and the process as a whole or its stages is carried out with the regulation of the electron current in crossed electric and magnetic fields. In addition, to increase the uniformity of the surface treatment of parts, they are moved in a plasma stream, providing surface bombardment by ions under direct fragility. Symmetric parts in the plasma stream rotate in a plane parallel to the axis of the stream. In a plasma stream, the movement of electrons in the direction opposite to the plasma flow is limited.
В устройстве для обработки деталей, содержащем размещенные в технологической вакуумной камере источник направленного плазменного потока, газовый коллектор, держатель обрабатываемых деталей, установленный перед выходным срезом сопла источника плазменного потока и источник электропитания, держатель выполнен в виде патрона с закрепленными на нем оправками из электропроводящего материала, установлен с возможностью вращения на валу привода, причем ось вращения перпендикулярна оси плазменного потока, электроизолирован от корпуса технологической камеры и электрически соединен с источником плазменного потока посредством автономного источника отрицательного потенциала, при этом газовый коллектор также соединен с автономным источником отрицательного потенциала. В качестве источника направленного плазменного потока газа использован электростатический ускоритель ионов, причем оправки через держатель соединены с отрицательным полисом автономного источника отрицательного потенциала, а положительный полюс последнего соединен либо с электродом ускорителя, либо заземлен. Кроме того, устройство снабжено установленным в технологической вакуумной камере генератором плазмообразования рабочего вещества, например, дуговым испарителем. Патрон устройства выполнен в виде тела вращения, а оправки в нем установлены посредством быстроразъемных или резьбовых соединений. При этом для предотвращении соскальзывания деталей с оправок, они закреплены в патроне под углом к его оси. Вал привода вращения установлен в технологической вакуумной камере через вакуумноплотный электроизолятор. При количестве обрабатываемых деталей большем 1 расстояние между оправками определяется из соотношения R:L≥l:12, где R расстояние между поверхностями соседних деталей, а L максимальная длина детали. In a device for processing parts containing a source of directed plasma flow located in the technological vacuum chamber, a gas collector, a holder of the workpieces installed in front of the exit cut of the nozzle of the plasma flow source and a power supply, the holder is made in the form of a cartridge with mandrels made of conductive material fixed to it, mounted rotatably on the drive shaft, the axis of rotation perpendicular to the axis of the plasma flow, electrically isolated from the housing of the techno ogicheskoy chamber and electrically connected to the source of the plasma stream by an autonomous source of negative potential, wherein the gas manifold is also connected to an independent source of negative potential. An electrostatic ion accelerator was used as a source of directed plasma gas flow, and the mandrel through the holder is connected to the negative pole of an autonomous source of negative potential, and the positive pole of the latter is connected either to the accelerator electrode or is grounded. In addition, the device is equipped with a plasma generator of the working substance installed in the technological vacuum chamber, for example, an arc evaporator. The cartridge of the device is made in the form of a body of revolution, and the mandrel in it is installed by means of quick-disconnect or threaded connections. Moreover, to prevent slipping of parts from the mandrels, they are fixed in the cartridge at an angle to its axis. The rotation drive shaft is installed in the technological vacuum chamber through a vacuum tight electrical insulator. When the number of workpieces is greater than 1, the distance between the mandrels is determined from the ratio R: L≥l: 12, where R is the distance between the surfaces of adjacent parts, and L is the maximum length of the part.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для обработки деталей, фиг. 2 и фиг.3 иллюстрируют размещение деталей в процессе ионной очистки и сопутствующего ей нагрева посредством катодного распыления, когда катодные слои на соседних деталях не перекрываются и когда они перекрывает друг друга. In FIG. 1 is a schematic diagram of a device for processing parts; FIG. 2 and 3 illustrate the placement of parts during ion cleaning and the associated heating by cathodic sputtering, when the cathode layers on adjacent parts do not overlap and when they overlap.
Устройство содержит размещенные в технологической вакуумной камере 1 держатель 2 с закрепленными на нем в патроне 3 оправками 4, на которые загружают обрабатываемые детали 5. Патрон 3 установлен на валу 6 привода вращения. Внутри вакуумной камеры 1 установлен по меньшей мере один источник плазмообразования 7, предназначенный для создания плазменного потока Пл, направленного на обрабатываемые детали. В качестве источника плазмообразования использован электростатический ускоритель ионов, например, ускоритель с замкнутым дрейфом электронов. (см.1 стр. 48, рис.11б). The device comprises a holder 2 located in the technological vacuum chamber 1 with
Энергия плазменных ионов регулируется с помощью автономного источника постоянного тока 8, подающего отрицательный потенциал смещения на детали 5, с которыми его отрицательный полос соединен через металлический держатель оправки 4, а положительный полис соединен либо с корпусом камеры, либо с электродом источника плазмообразования. Дополнительным электродом разряда служит и газовый коллектор ускорителя, также соединенный с автономным источником 8. Вал 8 привода вращения установлен в камере 1 при помощи вакуумноплотного электроизолятора 9. The energy of plasma ions is regulated using an autonomous direct
Устройство работает следующим образом. Детали 5, подлежащие обработке, загружают на оправки 4 и помещают в технологическую вакуумную камеру 1, которую откачивают до давления 6•10-3 Па (5•10-5 мм рт.ст.). Пускают через источник плазмообразования 7 плазмообразующий инертный газ (например, аргон). Давление в камере 1 повышается до 4•10-2.8•10-2Па. Создают плазменный поток Пл, в зоне формирования которого имеется хотя бы одно поперечное сечение, где плазменный поток проходит через скрещенные магнитное и электрическое поля. Это обеспечивается тем, что анод источника плазмообразования расположен внутри магнитной системы, образующей магнитный зазор, причем потенциал полисов магнитной системы отличается от потенциала анода.The device operates as follows.
Приводом вращения приводят в движение держатель 2 с деталями, установленными на оправках 4, на которые подоят от автономного источника постоянного тока 8 отрицательный потенциал смещения. Величину потенциала смещения фиксируют относительно полюсов магнитной системы, которые могут иметь электрический контакт с корпусом технологической вакуумной камеры. The rotation drive drives the holder 2 with the parts mounted on the
В плазменном потоке после того, как на оправки подан отрицательный потенциал смещения, у поверхности детали нарушается квазинейтральность плазмы в результате локального увеличения ионного тока на поверхность оправки, что приводит к образованию вокруг детали катодного слоя 10 и ускорению положительных ионов 11 на границе раздела 12 плазменного потока и катодного слоя. положительные ионы 11, ускоренные из плазменного потока "бомбардируют" обрабатываемую деталь под прямым углом к поверхности, чем обеспечивается ее равномерная очистка и нагрев. In the plasma stream, after a negative bias potential is applied to the mandrels, the plasma quasineutrality is violated near the surface of the part as a result of a local increase in the ion current to the surface of the mandrel, which leads to the formation of a
Если детали расположены в патроне очень часто, расстояние R между поверхностями соседних деталей мало, то катодные слои взаимно перекрываются и положительные ионы 11 не долетают на глубину участка В, что приводит к неравномерности очистки и нагрева поверхности детали. If the parts are located in the cartridge very often, the distance R between the surfaces of adjacent parts is small, then the cathode layers mutually overlap and the
Последующее напыление не приведет к образованию пленки в этом месте на неочищенной холодной поверхности. Поэтому оправки в патроне смонтированы таким образом, что в зависимости от размеров и формы деталей их можно легко переставлять, обеспечивая доступ "бомбардирующих" ионов равномерно ко всей обрабатываемой поверхности с заданной глубиной при оптимальных режимах обработки. Для этого оправки установлены в держателе посредством быстроразъемных соединений, например, штыревых, или на резьбе. Полученные экспериментально рекомендации по оптимальной загрузке и оптимальной производительности хорошо коррелируют с расчетными данными. Subsequent spraying will not lead to the formation of a film in this place on an uncleaned cold surface. Therefore, the mandrels in the cartridge are mounted in such a way that, depending on the size and shape of the parts, they can be easily rearranged, providing access of the “bombarding” ions evenly to the entire surface to be treated with a given depth under optimal processing conditions. To do this, the mandrels are installed in the holder by means of quick couplings, for example, pin, or on the thread. Experimentally obtained recommendations on optimal loading and optimal performance correlate well with the calculated data.
Если ионы плазменного потока ускорены в источнике плазмообразования 7 до энергии Uy или скорости 
время пролета ионов через катодный слой
где vδ-скорость, набираемая ионом в катодном слое
где Uсм напряжение смещения.If the plasma flow ions are accelerated in the plasma source 7 to an energy U y or velocity
time of flight of ions through the cathode layer
where v δ is the velocity accumulated by the ion in the cathode layer
where U cm is the bias voltage.
Если ty > tδ, то все ионы, пришедшие из ускорителя к границе размещения деталей, попадут на их поверхность.If t y > t δ , then all the ions that came from the accelerator to the boundary of the parts will fall on their surface.
Кроме того, необходимо, чтобы толщина катодного слоя и ширина зазора между деталями подчинялись неравенству d≅R/2 (см. фиг. 2,3). Оба неравенства можно представить в виде ty≥tR/2;
Откуда следует, что отношение длины L и зазора между деталями R подчиняется неравенству
Очевидно, что чем больше потенциал смещения Uсм, длина детали L и чем меньше энергия плазмообразования Uy, тем больше должно быть расстояние R между поверхностями деталей, т.е. тем больше должен быть шаг между оправками в патроне.In addition, it is necessary that the thickness of the cathode layer and the width of the gap between the parts obey the inequality d≅R / 2 (see Fig. 2,3). Both inequalities can be represented in the form t y ≥t R / 2 ;
It follows that the ratio of the length L and the gap between parts R obeys the inequality
Obviously, the larger the bias potential U cm , the length of the part L, and the less the plasma formation energy U y , the greater the distance R between the surfaces of the parts, i.e. the larger the step between the mandrels in the cartridge.
Экспериментально установлено, что оптимальные результаты достигается при соотношении R: L≥l: 12. В этом случае обработка поверхности ионами производится с наибольшей эффективностью. It was experimentally established that optimal results are achieved with a ratio of R: L≥l: 12. In this case, the surface treatment with ions is carried out with the greatest efficiency.
Таким образом плотность заполнения держателя 2 деталями, а следовательно, производительность устройства, поддается некоторой регулировке: увеличение ускоряющего напряжения или его суммы с напряжением смещения позволяет увеличить расстояние, на которое проникают ионы между деталями, и уменьшить зазор В между ними. Таким образом обеспечивается возможность одновременной обработки значительного количества деталей при высоком уровне качества, исключается возможность брака путем оптимальной загрузки заготовок, равномерной очистки и распыления. Thus, the filling density of the holder 2 with parts, and therefore the performance of the device, lends itself to some adjustment: an increase in the accelerating voltage or its sum with a bias voltage makes it possible to increase the distance by which ions penetrate between the parts and reduce the gap B between them. Thus, it is possible to simultaneously process a significant number of parts with a high level of quality, eliminates the possibility of marriage by optimal loading of the workpieces, uniform cleaning and spraying.
Кроме того, высокая равномерность и оплошность покрытия обеспечивается тем, что осаждение материала на поверхность детали происходит из плазменной (атомарной) фазы. In addition, high uniformity and oversight of the coating is ensured by the fact that the deposition of material on the surface of the part occurs from the plasma (atomic) phase.
Предложенный способ осуществляется следующим образом. The proposed method is as follows.
Пример 1. Чистка детали. Example 1. Cleaning a part.
Обрабатывается деталь под напыление декоративно-защитного "золотого" покрытия из нитрида титана на ее внешнюю поверхность. Изделие латунная трубка диаметром 8 мм, длиной 73 мм с толщиной стенки 0,3 мм. The part is processed under the spraying of a decorative-protective "gold" coating of titanium nitride on its outer surface. The product is a brass tube with a diameter of 8 mm, a length of 73 mm and a wall thickness of 0.3 mm.
Трубки в количестве 250.300 штук загружают на оправки держателя так, что радиус вращения максимально удаленной от оси вращения точки детали равен 170 мм, и помещают в технологическую вакуумную камеру. Камеру откачивают до (4 5)•10-5 мм рт.ст. (5-7)•10-3 Па. В плазменном ускорителе создается плазменный ток, сечение пучка которого на границе размещения деталей равен 220 мм. Устанавливается расход плаэмообразующего газа аргона по давлению в вакуумной камере, которое поддерживается равным (4-6)•10-4 мм рт.ст.(0,05 0,08 Па).Tubes in the amount of 250.300 pieces are loaded onto the holder mandrels so that the radius of rotation of the part point as far as possible from the axis of rotation is 170 mm, and placed in a technological vacuum chamber. The camera is pumped out to (4 5) • 10 -5 mm Hg. (5-7) • 10 -3 Pa. A plasma current is created in the plasma accelerator, the beam cross section at the location of the parts is 220 mm. The flow rate of the flame-forming argon gas is determined by the pressure in the vacuum chamber, which is maintained equal to (4-6) • 10 -4 mm Hg (0.05 0.08 Pa).
Ионный ток, истекающий из плазменного ускорителя, устанавливается равным 0,075 0,150 А, энергия ионов пучка равна 1000 1200 эВ. Мощность ионного потока составляет 75 200 Вт. Плотность мощности потока при соприкосновении с деталями на площади S= пr2= 380 см2 составляет (75 200)Вт/380 см2=0,2.0,5 Вт/см2 При встрече с границей установки деталей диаметр ионного пучка равен 220 мм.The ion current flowing out of the plasma accelerator is set equal to 0.075 0.150 A, the energy of the beam ions is 1000 1200 eV. The power of the ion stream is 75,200 watts. The density of the flow power in contact with parts on the area S = pr 2 = 380 cm 2 is (75 200) W / 380 cm 2 = 0.2.0.5 W / cm 2 When meeting with the installation boundary of the parts, the diameter of the ion beam is 220 mm.
Чтобы данный ионный поток привести в непосредственное взаимодействие со всей поверхностью обрабатываемого изделия, а также для увеличения скорости нагрева за счет электрической мощности, на трубку подается отрицательный потенциал смещения. Его подача происходит через металлические детали держателя на оправку. Величина потенциала смещения Uсм -500.-1200 В. Вокруг всей поверхности трубки создается прикатодный слой, в котором ускоряются ионы плазмообразующего газа аргона.In order to bring this ion flux into direct interaction with the entire surface of the workpiece, as well as to increase the heating rate due to electric power, a negative bias potential is applied to the tube. Its supply occurs through the metal parts of the holder to the mandrel. The magnitude of the displacement potential U cm is -500.-1200 V. A cathode layer is created around the entire surface of the tube, in which ions of the plasma-forming argon gas are accelerated.
Увеличение энергии ионов по сравнение с той, что они имеют в плазменном пучке, пропорционально потенциалу смещения Uсм. Ускоренные ионы бомбардируют трубку, очищая и нагревая ее поверхность.The increase in the energy of ions in comparison with what they have in a plasma beam is proportional to the bias potential U cm . Accelerated ions bombard the tube, cleaning and heating its surface.
Продолжительность процесса чистки деталей 8.15 мин. Время определяется желаемой температурой нагрева, которая в конце чистки составляет 150.300oС.The duration of the cleaning process is 8.15 minutes. The time is determined by the desired heating temperature, which at the end of cleaning is 150.300 o C.
Процесс чистки по данному способу практически исключает вероятность появления и развития электрической дуги на поверхности детали как на катоде, что определяет ценность способа, т.к. в случае развития дуги на поверхности детали появляется неисправимые каверны или иные следы, ведущие к необходимости выбраковывания деталей. Такая вероятность высока в стандартных установках, где для чистки деталей в качестве источника плазмы используется дуговой распылитель, который применяется затем для нанесения покрытия. The cleaning process by this method virtually eliminates the likelihood of the appearance and development of an electric arc on the surface of the part as on the cathode, which determines the value of the method, because in the case of an arc development, irreparable caverns or other traces appear on the surface of the part, leading to the need to discard the parts. This probability is high in standard installations where an arc sprayer is used as a plasma source for cleaning parts, which is then used for coating.
Гашение возможных в начальный момент чистки микродуг обеспечивается в ускорителе скрещенными 
Очищенная и нагретая деталь готова для проведения второй стадии обработки нанесения тонкопленочного покрытия. The cleaned and heated part is ready for the second stage of the processing of applying a thin film coating.
Пример 2. Обработка деталей с нанесением покрытия из нитрида титана на металлическую деталь. Example 2. Processing parts with a coating of titanium nitride on a metal part.
Первая стадия очистка и нагрев заготовки осуществляется по примеру 1. Как в первом примере, количество деталей в патроне определяется в соответствии с плотностью мощности плазменного потока и необходимыми расстояниями между деталями. The first stage, the cleaning and heating of the workpiece is carried out according to example 1. As in the first example, the number of parts in the cartridge is determined in accordance with the power density of the plasma flow and the necessary distances between the parts.
После очистки и предварительного нагрева поверхности деталей выключается питание плазменного ускорителя, выключается подача газа аргона в ускоритель и в вакуумную камеру. Патрон с деталями на оправках продолжает вращаться. В вакуумную камеру подается другой плазмообразующий и химически активный газ - азот до давления (2 -5)•10-3 мм рт.ст.(0,26-0,65 Па). Поджигается низковольтная электрическая дуга на дуговом испарителе, ток дуги 95 100 А, напряжение дуги 24 -30 Вольт. Материал катода дуги титан.After cleaning and pre-heating the surface of the parts, the power of the plasma accelerator is turned off, the supply of argon gas to the accelerator and to the vacuum chamber is turned off. The chuck with parts on the mandrels continues to rotate. Another plasma-forming and chemically active gas, nitrogen, is fed into the vacuum chamber to a pressure of (2 -5) • 10 -3 mm Hg (0.26-0.65 Pa). A low-voltage electric arc is ignited on an arc evaporator, arc current 95 100 A, arc voltage 24 -30 Volts. The cathode material of the arc is titanium.
Плазменная струя, состоящая из смеси ионов и атомов азота и титана, направляется к поверхности заготовки. Сечение струи 200. 220 мм. На детали через патрон подается потенциал смещения 50. 300 В. В результате взаимодействия титана и азота на поверхности детали образуется "золотое" зеркальное покрытие из нитрида титана. The plasma jet, consisting of a mixture of ions and nitrogen and titanium atoms, is directed to the surface of the workpiece. The cross section of the jet is 200.220 mm. A bias potential of 50. 300 V is applied to the part through the cartridge. As a result of the interaction of titanium and nitrogen, a “golden” mirror coating of titanium nitride is formed on the surface of the part.
В процессе нанесения покрытия детали нагревают до 250.400oС. Время нанесения покрытия 3.8 мин определяется требуемой толщиной пленки. Толщина покрытия 0,8.1,5 мкм.In the process of coating the parts are heated to 250.400 o C. The coating time of 3.8 min is determined by the required film thickness. Coating thickness 0.8.1.5 microns.
Пример 3. Чистка полупроводников. Example 3. Cleaning semiconductors.
При сохранении последовательности операций по примеру 1 чистка полупроводников проводится при строго ограниченной плотности мощности на поверхности деталей. Особенность обработки (чистки) полупроводников состоит в строгом ограничении и регулировке его температуры. Так, при плотности мощности N-l, 8.2 Вт/см2 кремниевая (Si) полупроводниковая пластинка нагревается до 180220 С и теряет свои свойства. Поэтому наш способ обеспечивает регулировку плотности мощности в проделах 0.2.1.8 Вт/см2 за счет двух управляющих параметров: напряжения ускорения Uy напряжения смещения Uсм, которые определяется формой и габаритами полупроводниковых заготовок. Нагрев поддерживается не выше 120. 140oС, обеспечивается высокая чистота поверхности полупроводника при сохранении его свойств.While maintaining the sequence of operations of example 1, the cleaning of semiconductors is carried out at strictly limited power density on the surface of the parts. A feature of the processing (cleaning) of semiconductors is the strict limitation and adjustment of its temperature. So, at a power density of Nl, 8.2 W / cm 2, a silicon (Si) semiconductor wafer heats up to 180 220 C and loses its properties. Therefore, our method provides the adjustment of the power density in 0.2.1.8 W / cm 2 due to two control parameters: acceleration voltage U y bias voltage U cm , which is determined by the shape and dimensions of the semiconductor blanks. Heating is maintained no higher than 120. 140 o C, provides a high surface purity of the semiconductor while maintaining its properties.
Пример 4. Нанесение декоративного покрытия на неметаллические детали, например, на фарфоровую посуду,
Первая стадия очистка поверхности включает те же операции, что в примере 1. Помещенная на электропроводящую оправку заготовка обрабатываемой поверхностью обращена к источнику плазмы. Вакуумная камера откачивается до давления 5•10-4 мм рт.ст.Плазмообразующий газ аргон.Example 4. Applying a decorative coating on non-metallic parts, for example, on porcelain,
The first stage of surface cleaning involves the same operations as in Example 1. A workpiece placed on an electrically conductive mandrel with the treated surface facing the plasma source. The vacuum chamber is pumped out to a pressure of 5 • 10 -4 mm Hg. Plasma-forming gas is argon.
После начала процесса давление в вакуумной камере поддерживается на уровне (4.6)•10-4 мм рт.ст.(5-7)•10-2 Па.After the start of the process, the pressure in the vacuum chamber is maintained at the level of (4.6) • 10 -4 mm Hg (5-7) • 10 -2 Pa.
Включает напряжение на анод ускорителя (1,5.2,5 кВт), формируют ионно-плазменный пучок с силой ионного тока 0,075.0,150 А. It includes voltage on the anode of the accelerator (1.5.2.5 kW), form an ion-plasma beam with an ion current of 0.075.0.150 A.
Время проведения первой стадии чистки зависит от первоначального состояния поверхности заготовок. Так при наличии на поверхности фарфорового изделия следов краски или первоначального рисунка операция чистки занимает 15. 26 мин, первоначальная краска при этом убирается полностью. На чистку стеклянных изделий обычно затрачивается 15.20 мин, причем окончание процесса наблюдается по ослабление свечения поверхности под ионным потоком, что указывает на удаление загрязнения и слоя старения стекла. The time for the first stage of cleaning depends on the initial state of the surface of the workpieces. So, if there are traces of paint on the surface of the porcelain product or the initial drawing, the cleaning operation takes 15. 26 minutes, the initial paint is completely removed. 15.20 minutes are usually spent on cleaning glass products, and the end of the process is observed by a weakening of the surface glow under the ion flow, which indicates the removal of contamination and the aging layer of the glass.
При обработке фарфоровых и стеклянных изделий используется низковольтный, но "сильноточный" ионно-плазменный ускоритель с напряжением анода 35. 80эВ и силой тока ионного пучка 0,5.1,5А
После окончания очистки переходят к нанесение на заготовку покрытия.When processing porcelain and glass products, a low-voltage, but "high-current" ion-plasma accelerator with an anode voltage of 35. 80 eV and an ion beam current of 0.5.1.5 A is used.
After cleaning, proceed to coating the preform.
Таким образом, использование способа плазменной обработки деталей и устройства для обработки деталей по изобретению позволяет получить прекрасное качество покрытия при высокой производительности оборудования за счет того, что обработка изделий осуществляется в более глубоком вакууме, чем традиционная чистка, за счет регулирования максимальной производительности, за счет исключения дугового пробоя на детали, а традиционная ионная чистка может быть расширена за счет включения в обработку низкотемпературной чистки полупроводников. ЫЫЫ2 Thus, the use of the plasma processing method of parts and the device for processing parts according to the invention allows to obtain excellent coating quality with high equipment productivity due to the fact that the processing of products is carried out in a deeper vacuum than traditional cleaning, by controlling the maximum performance, due to the exclusion arc breakdown on the part, and traditional ion cleaning can be expanded by including low-temperature cleaning of semiconductors in the treatment. YYY2
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93030148A RU2063472C1 (en) | 1993-06-11 | 1993-06-11 | Method and apparatus for plasma treatment of pieces |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93030148A RU2063472C1 (en) | 1993-06-11 | 1993-06-11 | Method and apparatus for plasma treatment of pieces |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU93030148A RU93030148A (en) | 1996-01-10 |
| RU2063472C1 true RU2063472C1 (en) | 1996-07-10 |
Family
ID=20142843
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU93030148A RU2063472C1 (en) | 1993-06-11 | 1993-06-11 | Method and apparatus for plasma treatment of pieces |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2063472C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008013469A1 (en) * | 2006-07-26 | 2008-01-31 | Dmitry Davidovich Spivakov | Method for ion-plasma application of film coatings and a device for carrying out said method |
| RU2686397C1 (en) * | 2017-12-21 | 2019-04-25 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Method of forming wear resistant coating on surface of steel products |
| RU2711067C1 (en) * | 2019-02-05 | 2020-01-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of ion nitriding in crossed electric and magnetic fields |
-
1993
- 1993-06-11 RU RU93030148A patent/RU2063472C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. Дороднов А.М. Промышленные плазменные установки. - М.: 1976, с. 35-З8. 2. Авторское свидетельство СССР N 1694688, кл. С 23 С 4/12, 1991. 3. Авторское свидетельство СССР N 1144417, кл. С 23 С 14/00, 1990. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008013469A1 (en) * | 2006-07-26 | 2008-01-31 | Dmitry Davidovich Spivakov | Method for ion-plasma application of film coatings and a device for carrying out said method |
| RU2686397C1 (en) * | 2017-12-21 | 2019-04-25 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Method of forming wear resistant coating on surface of steel products |
| RU2711067C1 (en) * | 2019-02-05 | 2020-01-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of ion nitriding in crossed electric and magnetic fields |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5015493A (en) | Process and apparatus for coating conducting pieces using a pulsed glow discharge | |
| US9771648B2 (en) | Method of ionized physical vapor deposition sputter coating high aspect-ratio structures | |
| US5580429A (en) | Method for the deposition and modification of thin films using a combination of vacuum arcs and plasma immersion ion implantation | |
| US3625848A (en) | Arc deposition process and apparatus | |
| EP1559128B1 (en) | Methods and apparatus for generating high-density plasma | |
| US5294322A (en) | Electric arc coating device having an additional ionization anode | |
| EP1556882B1 (en) | High-power pulsed magnetically enhanced plasma processing | |
| US10056237B2 (en) | Low pressure arc plasma immersion coating vapor deposition and ion treatment | |
| US5156703A (en) | Mthod for the surface treatment of semiconductors by particle bombardment | |
| US20100270144A1 (en) | High Power Pulse Magnetron Sputtering For High Aspect-Ratio Features, Vias, and Trenches | |
| US9273393B2 (en) | Torch system for depositing protective coatings on interior walls and recesses present on the flat surface of an object | |
| KR100432102B1 (en) | Method and apparatus for workpiece coating | |
| EP0899772B1 (en) | Cathodic arc vapor deposition apparatus | |
| US5972185A (en) | Cathodic arc vapor deposition apparatus (annular cathode) | |
| EP2778254A1 (en) | Low pressure arc plasma immersion coating vapor deposition and ion treatment | |
| JP2001511580A (en) | Hall current ion source device and material processing method | |
| US20150008118A1 (en) | Method for the coating of a substrate | |
| Coll et al. | Design of vacuum arc-based sources | |
| US5441624A (en) | Triggered vacuum anodic arc | |
| EP0064288A1 (en) | Method and apparatus for the production and utilization of activated molecular beams | |
| EP0818801A2 (en) | Plasma treating apparatus | |
| US3639151A (en) | Vapor randomization in vacuum deposition of coatings | |
| RU2063472C1 (en) | Method and apparatus for plasma treatment of pieces | |
| EP1683888A2 (en) | Method and apparatus for cathodic arc deposition | |
| Rother et al. | Cathodic arc evaporation of graphite with controlled cathode spot position |