RU2271409C2 - Apparatus for deposition of coatings in vacuum - Google Patents

Abstract

FIELD: coating applying systems, namely apparatuses for deposition of coatings in vacuum, possibly in electrography, machine engineering, radio electronics and other branches of industry.

SUBSTANCE: apparatus includes vacuum chamber; temperature -sensitive resistor base evaporator for evaporating easy-to-melt metals and alloys; device for mounting and rotating substrate, magnetron; laser irradiation source for irradiating and evaporating hard-to-melt ferromagnetic and non-ferromagnetic metals and alloys; crucible for evaporating metals and alloys of above mentioned types. Vacuum chamber is provided with window for laser irradiation. Invention allows apply different type coatings in the same working chamber.

EFFECT: lowered cost of process for applying coatings onto articles, large assortment of composition coatings with different functions.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области нанесения покрытий в вакууме и может быть использовано в электрографии, машиностроении и радиоэлектронной промышленности.The invention relates to the field of coating in vacuum and can be used in electrography, mechanical engineering and the electronics industry.

Известно устройство для нанесения легкоплавких полупроводниковых покрытий, содержащее вакуумную камеру, терморезистивный испаритель, узел крепления и вращения подложки (И.Б.Шнейдман. «Электрография на селеновых слоях» М.: Машиностроение, 1982 г., стр.40).A device for applying fusible semiconductor coatings containing a vacuum chamber, a thermoresistive evaporator, an attachment and rotation of the substrate (IB Schneidman. "Electrography on selenium layers" M .: Mashinostroenie, 1982, p. 40).

Недостатками известного устройства являются возможность испарения только легкоплавких металлов (Cd, Bi, Sn, Al и др.) и сплавов, низкая адгезия и наличие капельной фазы.The disadvantages of the known device are the possibility of evaporation of only low-melting metals (Cd, Bi, Sn, Al, etc.) and alloys, low adhesion and the presence of a droplet phase.

Задачей настоящего изобретения является создание вакуумной установки для нанесения функциональных и композиционных покрытий, оперативно переналаживаемой на различные типы покрытий для распыления и испарения материалов.The objective of the present invention is to provide a vacuum installation for applying functional and composite coatings, quickly readjusted to various types of coatings for spraying and vaporizing materials.

Вакуумная установка предназначена для получения гаммы известных в настоящее время покрытий в одной вакуумной камере, обладающих высокой адгезией и требуемыми функциональными свойствами: высокой твердостью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью, конгруэнтностью и т.п.The vacuum unit is designed to produce a gamut of currently known coatings in one vacuum chamber with high adhesion and the required functional properties: high hardness, corrosion resistance, heat resistance, congruency, etc.

Поставленная задача достигается тем, что устройство, содержащее вакуумную камеру, терморезистивный испаритель, узел крепления и вращения подложки, дополнительно содержит магнетрон и источник лазерного излучения для распыления и испарения легкоплавких, тугоплавких, ферромагнитных и неферромагнитных материалов и сплавов.This object is achieved in that the device containing the vacuum chamber, the thermoresistive evaporator, the attachment and rotation of the substrate, further comprises a magnetron and a laser source for spraying and vaporizing fusible, refractory, ferromagnetic and non-ferromagnetic materials and alloys.

Магнетронное распыление - процесс атомарный, формирующий покрытие без капельной фазы. Поскольку мишень в процессе распыления холодная, то процессов фракционирования сплава не происходит, т.е. состав покрытия практически совпадает с составом материала (эффект конгруэнтности). Магнетронное распыление в основном применяют для получения покрытий из тугоплавких и неферромагнитных материалов и сплавов.Magnetron sputtering is an atomic process that forms a coating without a droplet phase. Since the target during the sputtering process is cold, alloy fractionation does not occur, i.e. the composition of the coating practically coincides with the composition of the material (congruence effect). Magnetron sputtering is mainly used to obtain coatings from refractory and non-ferromagnetic materials and alloys.

Лазерное излучение вводится в рабочую камеру через люк, снабженный кварцевым стеклом. Источник лазерного излучения включает излучатель, систему транспортировки, наведения и фокусировки лазерного излучения.Laser radiation is introduced into the working chamber through a hatch equipped with quartz glass. The laser radiation source includes an emitter, a system for transporting, guiding and focusing laser radiation.

В излучателе лазера размещены один или более активных элементов, пассивный лазерный затвор, концевой отражатель и поворотные зеркала, установленные с возможностью создания внутрирезонаторных петель, в пересечении которых расположены активные элементы и пассивный затвор.The laser emitter contains one or more active elements, a passive laser shutter, an end reflector, and rotary mirrors installed with the possibility of creating intracavity loops, at the intersection of which there are active elements and a passive shutter.

Концевой отражатель включает светоделитель и систему из двух зеркал, расположенных с образованием плеч интерферометра Саньяка.The end reflector includes a beam splitter and a system of two mirrors located with the formation of the arms of the Sagnac interferometer.

В системе транспортировки, наведения и фокусировки последовательно по ходу луча размещены невзаимный оптический элемент на базе вращателя Фарадея, коллиматор, двухкоординатный дефлектор и объектив. Лазерный излучатель используется для испарения тугоплавких металлов и получения конгруэнтных покрытий. При испарении материала лазерным излучением образуется плазменный сгусток, причем ионы обладают энергией до 100 эВ, вследствие чего происходит проникновение этих частиц в приповерхностные слои подложки (детали).The non-reciprocal optical element based on the Faraday rotator, a collimator, a two-coordinate deflector and a lens are placed sequentially along the beam in the transportation, guidance and focusing system. A laser emitter is used to vaporize refractory metals and produce congruent coatings. During the evaporation of the material by laser radiation, a plasma bunch forms, and ions have an energy of up to 100 eV, as a result of which these particles penetrate into the surface layers of the substrate (component).

Применение этого эффекта является экономически целесообразным и может быть успешно использовано при «залечивании» пор в окончательно изготовленных сложных дорогостоящих деталях, работающих под высоким давлением.The application of this effect is economically feasible and can be successfully used to "heal" the pores in the final manufactured complex expensive parts that operate under high pressure.

При изучении других известных технических решений в данной области технические признаки, отличающие заявленное решение от прототипа, т.е. введение дополнительно испарителя магнетронного типа и источника лазерного излучения для распыления и испарения тугоплавких ферромагнитных и неферромагнитных материалов и сплавов, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявленному техническому решению соответствие критерию «Существенные отличия».In the study of other well-known technical solutions in this field, technical features that distinguish the claimed solution from the prototype, i.e. the introduction of an additional magnetron type evaporator and a laser source for spraying and vaporizing refractory ferromagnetic and non-ferromagnetic materials and alloys were not identified and therefore they provide the claimed technical solution with the criterion of “Significant differences”.

На чертеже показан общий вид вакуумной установки для получения гаммы известных в настоящее время покрытий.The drawing shows a General view of a vacuum installation to obtain a gamut of currently known coatings.

Вакуумная установка включает вакуумную камеру 1, терморезистивный испаритель 2, магнетрон 3, тигель 4 для испарения материала через люк 5 источником лазерного излучения 6. Испарители снабжены узлами защиты 7, представляющими собой герметично закрывающиеся шторки, которые управляются дистанционно. Напыляемые детали 8 располагаются на узле крепления и вращения 9.The vacuum installation includes a vacuum chamber 1, a thermoresistive evaporator 2, magnetron 3, a crucible 4 for vaporizing the material through the hatch 5 with a laser radiation source 6. The evaporators are equipped with protection units 7, which are hermetically sealed shutters that are remotely controlled. The sprayed parts 8 are located on the mounting and rotation unit 9.

Вакуумная установка работает следующим образом.Vacuum installation works as follows.

Каждый испаритель функционирует в автономном режиме. Установка может быть применена для нанесения покрытий, при этом используют как один, так и комплект испарителей. Например, нанесение высокочувствительного полупроводникового покрытия Se-Te на электрофотографические носители производится в соответствии со следующими технологическими операциями.Each evaporator operates autonomously. The installation can be used for coating, using both one and a set of evaporators. For example, applying a highly sensitive Se-Te semiconductor coating to electrophotographic media is carried out in accordance with the following technological operations.

На цилиндрическую алюминиевую подложку наносят слой олова толщиной 3-5 мкм способом магнетронного распыления, затем терморезистивным способом производят нанесение селенового транспортного слоя толщиной 30-60 мкм.A tin layer of 3-5 microns thick is applied onto a cylindrical aluminum substrate by magnetron sputtering, then a selenium transport layer 30-60 microns thick is applied by a thermoresistive method.

Для получения конгруэнтного высокочувствительного зарядонакопительного Se-Te-слоя толщиной 1-10 мкм испарение Se-Te-сплава производят из тигля с помощью лазерного источника излучения.To obtain a congruent highly sensitive charge-accumulating Se-Te layer 1-10 μm thick, the evaporation of the Se-Te alloy is made from a crucible using a laser radiation source.

В соответствии с предлагаемым изобретением была изготовлена вакуумная установка для нанесения функциональных и композиционных покрытий.In accordance with the invention, a vacuum apparatus for the application of functional and composite coatings was manufactured.

В вакуумной установке была изготовлена опытная партия электрофотографических носителей с многослойным полупроводниковым покрытием наружным диаметром 250 мм и длиной 620 мм (8 шт.).An experimental batch of electrophotographic media with a multilayer semiconductor coating with an outer diameter of 250 mm and a length of 620 mm (8 pcs.) Was manufactured in a vacuum installation.

Получены высококачественные копии на копировальном аппарате «Konica» с ресурсом носителя не ниже 100 тыс. копий.High-quality copies were obtained on a Konica copy machine with a media resource of at least 100 thousand copies.

Предлагаемая вакуумная установка по сравнению с известными устройствами имеет следующие преимущества:The proposed vacuum installation in comparison with known devices has the following advantages:

1. Установка предназначена для получения гаммы известных в настоящее время покрытий в одной рабочей камере.1. The installation is designed to obtain a gamut of currently known coatings in one working chamber.

2. Установку экономически целесообразно использовать при производстве изделий с большой номенклатурой функциональных и композиционных покрытий, при этом вместо нескольких установок используют универсальную специальную установку.2. The installation is economically feasible to use in the manufacture of products with a large range of functional and composite coatings, while instead of several installations use a universal special installation.

Claims (1)

Установка для нанесения функциональных и композиционных покрытий в вакууме, содержащая вакуумную камеру, терморезистивный испаритель для испарения легкоплавких металлов и сплавов и узел крепления и вращения подложки, отличающаяся тем, что дополнительно содержит магнетрон и источник лазерного излучения для распыления и испарения тугоплавких ферромагнитных и неферромагнитных металлов и сплавов и тигель для испарения упомянутых металлов и сплавов лазерным излучением, при этом в вакуумной камере выполнен люк для лазерного излучения.Installation for applying functional and composite coatings in a vacuum, containing a vacuum chamber, a thermoresistive evaporator for evaporating low-melting metals and alloys, and a mounting and rotation unit for a substrate, characterized in that it additionally contains a magnetron and a laser source for spraying and vaporizing refractory ferromagnetic and non-ferromagnetic metals and alloys and a crucible for vaporizing the aforementioned metals and alloys by laser radiation, while in the vacuum chamber a hatch for laser radiation is made.