ВАКУУМНО-ДУГОВОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1995 года по МПК C23C14/32 

Изобретение относится к вакумно-плазменной технологии и может быть применено, например, для нанесения покрытий в производстве электронных приборов.

В последние годы широкое распространение получила технология нанесения покрытий, основанная на применении потоков металлической плазмы, получаемых с помощью вакуумно-дуговых устройств. Использование данной технологии позволяет интенсифицировать процесс нанесения покрытий, обеспечить высокую их чистоту и хорошую адгезию. Однако продукты эрозии, разлетающиеся с рабочей поверхности катода, содержат не только ионизированные пары материала, но и заметное количество макрочастиц твердых осколков и микрокапель, которые снижают качество и равномерность формируемого покрытия по толщине, тем самым сужая область применения.

В вакуумно-дуговом устройстве с целью повышения качества наносимого покрытия предусмотрено удаление из плазменного потока нейтралов и макрокапель. Очистка осуществляется при транспортировке потока плазмы в криволинейном плазмоводе, в котором созданы продольное магнитное и радиальное электрическое поля. Макрочастицы, двигаясь прямолинейно, оседают на внутренней поверхности плазмовода, а ионы продвигаются в направлении вакуумной камеры, где происходит их конденсация на обрабатываемой поверхности.

В известных устройствах разделение нейтрального и заряженного компонентов плазменного потока осуществляется в вакуумной камере за счет отклонения заряженной компоненты соответственно на 90^о и 180^о, что достигается с помощью магнитных систем, которые включены встречно магнитной системе источника плазмы.

Использование рассмотренных вакуумно-дуговых устройств для нанесения покрытий на практике затруднено из-за сложности их реализации.

Сепарация заряженных и нейтральных компонентов плазмы может быть осуществлена и с помощью других, более простых в конструктивном отношении, устройствах. В этом случае на пути плазменного потока устанавливают дополнительный соленоид. Нейтральные пары и макрочастицы движутся прямолинейно и оседают как на охлаждаемых стенках плазмовода, так и на контуре дополнительного соленоида, не достигая при этом выхода устройства и не попадая на обрабатываемое изделие. Заряженная же компонента плазмы, двигаясь вдоль магнитных силовых линий, транспортируется к поверхности подложки.

Недостатком систем подобного типа является то, что дополнительный соленоид, расположенный на пути плазменного потока, подвергается мощному тепловому воздействию, приводящему в конечном результате к выходу его из строя.

Наиболее близким по совокупности признаков является устройство, выбранное авторами за прототип. Данное устройство содержит сепаратор, расположенный между испарителем и подложкодержателем. Сепаратор выполнен в виде соосно расположенных конических колец и конуса, размещенного по их оси основанием в сторону подложкодержателя, при этом наружное и внутреннее кольца ориентированы меньшим диаметром в сторону подложкодержателя, а четные большим диаметром в сторону испарителя. Внутренние диаметры наружного и нечетных колец не превышают наружного диаметра четных колец, а нечетно установлены с зазором относительно четных колец. На сторонах конуса и колец, обращенных в сторону подложкодержателя, расположены магниты, которые в процессе работы сжимают плазменный поток и направляют его в зазоры между конусом и коническими кольцами.

Рассматривая данную систему, нетрудно заметить, что основным элементом конструкции является расположенный на оси основанием к подложкодержателю конус с магнитопроводом, который в данном случае выполняет функцию "магнитного" острова. Для создания сплошного барьера, препятствующего прохождению капель и нейтральных частиц, "магнитный" остров конструктивно дополнен коническими кольцами сложной формы, которые ориентированы относительно катода в зависимости от своего порядкового номера большим или меньшим диаметром в его сторону. Реализация подобного типа сепаратора на практике является сложной технической задачей, а использование магнитопровода, расположенного на внутренних поверхностях конических колец, сокращает время его эксплуатации, так как частицы осаждают на поверхности сепаратора, обращенной к катоду, подвергая его мощному тепловому воздействию.

Целью изобретения является создание вакуумно-дугового устройства с упрощенной конструкцией сепаратора.

Цель достигается за счет того, что в вакуумно-дуговом устройстве, содержащем подложкодержатель и сепаратор с магнитной системой, расположенной между ними, сепаратор состоит из набора конических колец, образующие которых параллельны друг другу, все кольца обращены большим диаметром к испарителю, при этом больший диаметр кольца не меньше меньшего диаметра следующего большего кольца и диска, центр которого совпадает с осью системы и диаметром не меньше меньшего диаметра внутреннего кольца, а за подложкодержателем установлен дополнительный селоноид.

Предлагаемая конструкция устройства отличается от известной. В известном устройстве ориентировка усеченных конических колец в зависимости от их порядкового номера осуществляется или большим, или меньшим диаметром в сторону испарителя, а по оси расположен конус, выполняющий функцию "магнитного" острова. Для транспортировки заряженной компоненты плазмы используется сопровождающее магнитное поле, формируемое магнитами, расположенными на образующих конусов.

В предлагаемом устройстве все кольца сепаратора ориентированы большим диаметром в сторону катода, что существенно упрощает его конструкцию, а магнитная система, повышающая коэффициент прохождения заряженной компоненты плазмы, расположена за подложкодержателем и выполнена в виде соленоида, при этом следует отметить, что в данном случае устранена полная возможность теплового воздействия плазменного потока на соленоид.

Указанные отличия принципиальны для известного и предлагаемого устройств.

Заявляемая совокупность признаков изобретения авторам не известна. Вся заявляемая совокупность признаков в результате взаимодействия позволила упростить конструкцию устройства.

На фиг. 1 конструкция вакуумно-дугового устройства; на фиг. 2 зависимость отношения плотности ионного тока при наличии сепаратора и его отсутствии для различных углов наклона конических колец; на фиг. 3 влияние магнитного поля на коэффициент прохождения заряженной компоненты плазменного потока.

Вакуумно-дуговое устройство состоит из водоохлаждаемых анода 1 и цилиндрического катода 2, поджигающего электрода 3 и экрана 4. С внешней стороны анода 1 расположена магнитная система источника плазмы, включающая стабилизирующую 5 и фокусирующую 6 катушки. В рабочем объеме 7, на оси системы, установлен сепаратор 8, состоящий из конических колец 9 и диска 10, ось которого совпадает с осью системы. За сепаратором 8 расположены подложкодержатель 11 и магнитная система 12.

Принцип действия данного устройства заключается в следующем. При подаче постоянного напряжения на электроды системы (анод 1 плюс, катод 2 минус) и при подаче поджигающего импульса не боковой поверхности катода 2 формируется катодное пятно, которое под воздействием магнитного поля источника плазмы (5, 6) выводится на его рабочую поверхность и удерживается на ней. Поток эрозионной плазмы материала катода под действием электрического поля, форма эквипотенциалей которого определяется топографией магнитного поля, направляется в вакуумную камеру 7, где на его пути установлен сепаратор 8.

Конструктивно сепаратор выполнен так, что за счет использования предлагаемого набора конических колец 9, когда больший диаметр кольца не меньше меньшего диаметра следующего большего кольца, и диска 10, диаметр которого перекрывает выходное отверстие меньшего конического кольца, удается создать сплошной непроходимый барьер для микро- и макрокапель, а также нейтральных частиц, находящихся в плазменном потоке и имеющих прямолинейные траектории. В этом случае их осаждение осуществляется на поверхности сепаратора, обращенной в сторону катода, исключая тем самым возможность их попадания на обрабатываемую поверхность подложкодержателя.

На фиг. 1 графически указано несколько возможных траекторий движения частиц, из которых видно, что их проникновение за сепаратор полностью исключено.

Заряженная компонента плазменного потока, двигаясь со скоростью порядка 10⁴ м/с, обладает высокой проникающей способностью, что и обеспечивает возможность частичного ее прохождения сквозь объем сепаратора. Основным параметром, характеризующим прохождение заряженной компоненты плазменного потока, является плотность плазмы. Изменение плотности ионного тока в этом случае может служить как критерием эффективности прохождения, так и определять достигаемую производительность, определяемую скоростью роста наносимого покрытия V_р и связанную с параметрами плазменного потока следующим образом:
v_р= j где j_i плотность тока ионов; κ и S коэффициенты аккомодации ионов и распыления ими поверхности; q заряд одного иона; n₀ -4 концентрация атомов в наносимом покрытии.

Из приведенного выражения видно, что при полной очистке плазменного потока скорость роста формируемого покрытия определяется плотностью ионного тока на подложкодержатель.

Сепаратор 8 был изготовлен из немагнитного материала толщиной не более 1 мм. Конические кольца 9 крепились на каркасе, центром которого являлся диск 10. Наибольший диаметр конического кольца определялся внутренним диаметром анода и не превышал 110 мм. Диаметр диска на оси равнялся 10 мм. В процессе работы исследовались сепараторы с различным углом наклона образующих к плазменному потоку (15, 30 и 45^о), в которых изменялась как ширина зазора между коническими кольцами, так и ширина самих колец.

Результаты, характеризующие прохождение плазменного потока, представлены на фиг. 2 в виде зависимости отношения плотности ионного тока при наличии сепаратора и при его отсутствии для различных углов наклона конических колец, при этом ширина колец во всех случаях равнялась 12 мм.

Из графика видно, что плазменный поток проходит сквозь сепаратор с достаточно большими потерями коэффициент прохождения не превышает 15% (кривая 13). Столь невысокий коэффициент прохождения можно объяснить тем, что движение заряженной компоненты плазменного потока осуществляется в убывающем аксиально-симметричном магнитном поле источника плазмы, создаваемом стабилизирующей 5 и фокусирующей 6 катушками, расположенными с внешней стороны анода 1. Данное условие приводит к расширению плазменного потока. Сепаратор в процессе работы находится под плавающим потенциалом. Наклон колец сепаратора осуществлен к оси системы, что и затрудняет прохождение заряженных частиц.

С целью повышения коэффициента прохождения плазмы и повышения скорости роста наносимого покрытия за подложкодержателем был установлен дополнительный соленоид.

Использование на практике магнитных систем управления обусловлено тем, что заряженная компонента плазмы достаточно легко захватывается магнитным полем и перемещается вдоль его силовых линий. Управляющие свойства магнитного поля зависят от геометрии силовых линий и поведения в пространстве модуля индукции магнитного поля B= Собирающие или рассеивающие свойства создаваемого магнитного поля в рабочем объеме зависят от включения дополнительного соленоида относительно магнитной системы. Согласное их включение обеспечивает фокусировку плазменного потока. В этом случае силовые линии магнитного поля направлены к оси, что благоприятно сказывается на процессе транспортировки заряженной компоненты плазменного потока сквозь объем сепаратора, конические кольца которого имеют также наклон к оси.

Эффективность системы транспортировки заряженной компоненты плазменного потока будет определяться геометрией используемого сепаратора и пространственным распределением управляющего магнитного поля, создаваемого дополнительным магнитным источником.

Кривая 14 (фиг. 2) наглядно иллюстрирует влияние сопровождающего магнитного поля на характер прохождения плазменного потока, приближая коэффициент прохождения к 45% при этом максимальный коэффициент прохождения для данной системы наблюдался при наклоне колец 30^о.

На фиг. 3 приведены графики влияния дополнительного магнитного поля на плотность ионного потока для сепаратора с углом наклона колец 30о при ширине колец 12 мм.

Дополнительный соленоид был выполнен в виде цилиндрической катушки с внутренним диаметром 70 мм и шириной 25 мм, при этом при пропускании через катушку тока в 1 А в центре катушки на ее оси создавалось магнитное поле напряженностью 10000 А/м.

Таким образом, авторами представлен и описан принцип действия сепаратора, обеспечивающего очистку плазменного потока от капель и нейтральных частиц, наличие которых на обрабатываемой поверхности снижает качество формируемого покрытия, а нередко и ограничивает области возможного использования данного метода.

Практически предлагаемая конструкция вакуумно-дугового устройства была опробована для нанесения металлического покрытия на стеклянные матрицы по технологии изготовления вакуумно-люминесцентных индикаторов типа ИВ-28Б.

Изобретение может быть использовано в технологии производства электронных приборов. Цель изобретения заключается в очистке плазменного потока от микро- и макрокапель, а также нейтральных частиц, наличие которых снижает качество формируемого покрытия, тем самым сужая область применения данной технологии. Цель достигается за счет использования сепаратора, расположенного в рабочем объеме на пути плазменного потока между испарителем и подложкодержателем. Сепаратор состоит из набора конических колец, образующие которых параллельны друг другу, все кольца обращены большим диаметром к испарителю, при этом больший диаметр кольца не меньше меньшего диаметра следующего большего кольца, и диска, центр которого совпадает с осью системы и с диаметром не меньше меньшего диаметра внутреннего кольца. Предлагаемый набор конических колец создает сплошной барьер для частиц, движущихся в плазменном потоке и имеющих прямолинейные траектории. С целью повышения коэффициента прохождения заряженной компоненты плазменного потока и скорости роста наносимого покрытия за подложкодержателем установлен дополнительный соленоид. 3 ил.

ВАКУУМНО-ДУГОВОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее подложкодержатель, испаритель и расположенный между ними сепаратор, состоящий из набора конических колец, с магнитной системой, отличающееся тем, что конические кольца сепаратора размещены концентрично одно в другом и обращены большими диаметрами к испарителю, при этом больший диаметр кольца не меньше меньшего диаметра следующего большего кольца, концентрично кольцам со стороны испарителя размещен диск диаметром, большим или равным диаметру внутреннего кольца, а магнитная система выполнена в виде соленоида, установленного за подложкодержателем осесимметрично кольцам сепаратора.