ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ИСТОЧНИК ПЛАЗМЫ Российский патент 1996 года по МПК C23C14/32 

Изобретение относится к нанесению вакуумных покрытий, а именно к устройствам для генерации плазмы электропроводящих материалов, используемой для получения покрытий в вакууме. Оно может быть использовано в различных областях народного хозяйства: в машино- и приборостроении, электронной технике, инструментальном производстве и т.д.

В настоящее время вакуумные покрытия находят все более широкое применение.

Известен вакуумно-дуговой источник плазмы [1] который содержит катод в виде пластины большой площади, а для стабилизации дуги на его рабочей торцовой поверхности установлено защитное кольцо, охватывающее катод и выполненное из материала, на котором вероятность существования катодных пятен существенно ниже, чем на катоде.

Этот источник плазмы можно использовать для нанесения покрытий на крупногабаритные и длинномерные изделия, однако он имеет следующие недостатки.

Несмотря на низкую вероятность существования катодных пятен на защитном кольце, по мере работы испарителя оно запыляется материалом катода и на нем все чаще зажигаются катодные пятна, что приводит к загрязнению покрытий материалом кольца и к разрушению кольца.

В данном устройстве не может применяться магнитная фокусировка плазмы, так как это приведет к дестабилизации распределения катодных пятен на рабочем торце катода. Отсутствие магнитной фокусировки снижает производительность процесса осаждения покрытий и ухудшает качество покрытий, так как в них возрастает содержание нейтральной компоненты: макрочастиц (капель), кластеров и нейтральных атомов.

В данном источнике катод в результате выработки становится вогнутым, вследствие чего он обладает относительно низким ресурсом. Кроме того из-за вогнутой формы рабочей поверхности катода, отработавшего некоторое время, в данной конструкции практически невозможно использовать высоковольтное импульсное искровое поджигающее устройство, а используется механическое поджигающее устройство, что снижает надежность и стабильность его работы.

Известен электродуговой испаритель металлов (авт.св. N 307660, кл. С 23 С 13/12, которое заявлено 09.09.68), содержащий корпус, катод, поджигающий электрод и анод. Для улучшения стабильности горения дуги испаритель снабжен соленоидом, расположенным снаружи выполненного из немагнитного материала корпуса, внутри которого коаксиально размещен катод.

К недостаткам известного источника плазмы относится то, что его нельзя использовать для нанесения покрытий на крупногабаритные и длинномерные изделия. Размеры изделий, на которые можно нанести покрытия, ограничены 150 мм.

Наиболее близким к предлагаемому является вакуумно-дуговой источник плазмы [2] содержащий катод с рабочей торцовой поверхностью, экран, высоковольтный поджигающий электрод, вспомогательный и основной аноды. Катод охвачен статической системой магнитной стабилизации, выполненной в виде соленоида. Силовые линии магнитной системы наклонены в направлении рабочего торца. Катод, основной и вспомогательный аноды, экран размещен соосно. Устройство содержит также диэлектрическую втулку. Между боковой поверхностью катода и вспомогательным анодом имеется кольцевой зазор. Вакуумно-дуговой источник плазмы крепится в водоохлаждаемом фланце.

При работе описанного источника плазмы магнитное поле обеспечивает удержание катодного пятна на торце конического катода.

Описанное известное устройство, как и вышеупомянутое, (авт. св. N 307660), нельзя использовать для нанесения покрытий на крупногабаритные и длинномерные изделия. Например, на расстоянии 200 мм от рабочего торца катода качественное покрытие, имеющее равнотолщинность 5% можно нанести на изделие, размер которого не более 150 мм.

Цель изобретения нанесение качественных покрытий на крупногабаритные и длинномерные изделия (от 500 мм и более), расширение диапазона применения вакуумных покрытий.

Цель достигается тем, что в вакуумно-дуговом источнике плазмы, содержащем катод с торцовой рабочей поверхностью, охваченный статической системой магнитной стабилизации, силовые линии которой наклонены в направлении рабочего торца, основной и вспомогательный аноды, экран, размещенные соосно катоду, и высоковольтный поджигающий электрод, катод выполнен в виде прямоугольной пластины, а стабилизирующая магнитная система образована взаимно перпендикулярными линейными проводниками, составляющими две группы. В первую группу линейных проводников, образующих статическую систему магнитной стабилизации, входят проводники, размещенные параллельно ребрам пластины, имеющими большую длину. Проводники второй группы, образующие динамическую систему магнитной стабилизации, размещены перпендикулярно торцу катода и разделены на секции. Проводники, входящие в каждую из секций, подключены к источнику тока через коммутатор, благодаря чему обеспечивается их поочередное включение. Направление тока в линейных проводниках второй группы, близлежащих к катоду, в процессе работы устройства одинаково и совпадает с направлением тока вакуумной дуги.

Линейные проводники соединены между собой замыкающими ток проводниками. Для проводников первой группы (т.е. тех проводников, которые образуют статическую систему магнитной стабилизации) расстояние S между замыкающим проводником и боковой поверхностью пластины (катода) и расстояние L между линейными проводниками находится в соотношении:
L ≅ S ≅ 3L
В том случае, когда S меньше или равно L, электрическая дуга сосредоточивается в центре рабочего торца катода, что приводит к неэффективному использованию поверхности катода, а также к ограничению размеров изделий, на которые наносят покрытия.

При S ≥ 3L эффективность процесса не увеличивается, таким образом дальнейшее увеличение расстояния между боковой поверхностью катода и замыкающим проводником теряет смысл.

Каждый линейный проводник может образовывать прямоугольный контур.

Линейные проводники, входящие в статическую систему магнитной стабилизации, образуют прямоугольные контуры, расположенные по обе стороны боковой поверхности катода (фиг.3).

В вакуумно-дуговом источнике плазмы проводники, замыкающие линейные проводники первой группы, расположены перпендикулярно плоскости рабочего торца катода (фиг.2).

Все признаки взаимосвязаны между собой и направлены на решение одной задачи, состоящей в нанесении качественных покрытий на длинномерные и крупногабаритные изделия (например, размером от 500 м до 2 мм и более).

Эффективное удержание катодных пятен в пределах рабочей поверхности электрода может быть осуществлено использованием закономерностей движения катодных пятен во внешнем неоднородном магнитном поле. Основная из этих закономерностей заключается в том, что катодное пятно вакуумной дуги в достаточно сильном магнитном поле ( ≈100 Э), силовые линии которого пересекают поверхность катода под острым углом α, движутся перпендикулярно тангенциальной составляющей поля в антиамперовом (обратном) направлении и одновременно смещаются в строну угла α (Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. М. Наука, 1968).

Выполнение катода в виде прямоугольной пластины, охваченной стабилизирующей магнитной системой, включающей динамическую и статическую системы, позволяет обеспечить удержание катодного пятна вакуумной дуги на плоской поверхности, имеющей протяженность от 500 мм до 2 м и более. Это в свою очередь позволит наносить вакуумные покрытия на крупногабаритные и длинномерные изделия, имеющие такую же длину.

На фиг.1 изображен вакуумно-дуговой источник плазмы; на фиг.2 катод, охваченный системой магнитной стабилизации, в которой замыкающие линейные проводники первой группы расположены перпендикулярно плоскости рабочего торца катода, вид сбоку; на фиг.3 катод, выполненный в виде прямоугольной пластины, охваченной статической магнитной системой стабилизации, образованной контурами, расположенными по обе стороны боковой поверхности катода, вид сверху; на фиг.4 схема, поясняющая принцип работы источника плазмы, где V_д средняя скорость катодного пятна, м/с; В_т вектор индукции тангенциального магнитного поля (созданного динамической магнитной системой); В_н вектор индукции наклонного магнитного поля (созданного статической магнитной системой).

Вакуумно-дуговой источник плазмы (фиг. 1) содержит катод 1 с торцовой рабочей поверхностью, выполненный в виде прямоугольной пластины. Боковая поверхность катода представляет собой, например, боковую поверхность призмы или усеченной пирамиды. Катод 1 охвачен стабилизирующей магнитной системой, которая образована линейными проводниками, составляющими две группы: проводники 2 первой группы расположены параллельно ребрам пластины, имеющим большую длину. Они образуют статическую систему магнитной стабилизации. Линейные проводники 3 второй группы, распложенные перпендикулярно рабочему торцу катода, образуют динамическую систему магнитной стабилизации. Они разделены на секции (например, на три секции, в каждой из которых находится два или три проводника). Проводники каждой секции подключены к источнику 4 тока через коммутатор 5, который обеспечивает поочередное включение секций. В процессе работы источника плазмы направление тока во всех проводниках второй группы, примыкающих к катоду, одинаково и совпадает с направлением тока вакуумной дуги. В результате этого в процессе работы источника плазмы вблизи боковой поверхности катода создается бегущее тангенциальное магнитное поле, которое порождает движение катодных пятен в антиамперовом направлении в направлении рабочего торца катода. Для реализации динамической системы магнитной стабилизации необходимо выполнить следующее условие: время между переключениями секций линейных проводников второй группы
t_паузы < d_к/v_к.п. где d_к ширина боковой поверхности катода;
v_к.п. средняя скорость движения катодных пятен на поверхности катода;
v_к.п. с IВ;
где I ток дуги;
В величина магнитной индукции тангенциального магнитного поля вблизи поверхности катода;
с- коэффициент, зависящий от материала катода (Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. М. Наука, 1968).

Источник плазмы содержит экран 6, вспомогательный 7 и основной 8 аноды, размещенные соосно катоду 1, высоковольтный поджигающий электрод 9 с водоохлаждаемым выводом, установленный в диэлектрической втулке 10.

Между вспомогательным анодом 7 и боковой поверхностью катода 1 имеется кольцевой зазор. Источник плазмы крепится в водоохлаждаемом фланце (не показан). Позицией 11 обозначен водоохлаждаемый вывод катода 1. Между вспомогательным анодом 7 и водоохлаждаемым выводом 11 катода установлен изолятор 12.

Линейные проводники 2,3 снабжены замыкающими проводниками 13, 14 (на фиг.1 стрелками показано направление тока).

Линейные проводники 2, размещенные параллельно ребрам прямоугольной пластины, имеющим большую длину, соединены между собой замыкающими ток проводниками 13. Для проводников первой группы расстояние S между замыкающим проводником 13 и боковой поверхностью пластины (катода) 1 и расстояние L между линейными проводниками 2 (фиг.3) находится в соотношении:
L ≅ S ≅ 3L
Для первой группы проводников 2 (т.е. проводников, образующих статическую систему магнитной стабилизации) замыкающие проводники 13 могут располагаться перпендикулярно плоскости рабочего торца катода 1 (фиг.2).

Позицией 15 обозначена электрическая дуга.

Вакуумно-дуговой источник плазмы работает следующим образом.

На поджигающий электрод 9 подают высокоимпульсное напряжение и инициируют вакуумную дугу на боковой поверхности катода 1 (фиг.4). Между боковой поверхностью катода 1 и вспомогательным анодом 7 загорается вакуумная дуга. Образующаяся плазма закорачивает основной разрядный промежуток (т.е. промежуток между катодом 1 и основным анодом 8). Катодные пятна смещаются с боковой поверхности катода и локализуются на его рабочем торце (фиг.1), представляющем собой плоскую поверхность, длина которой может достигать 2 м и более.

По линейным проводникам, размещенным по торцовой рабочей поверхности катода, подключенным к источнику 4 тока через коммутатор 5 и образующим динамическую систему магнитной стабилизации, поочередно течет ток, направление которого совпадает с направлением тока вакуумной дуги 15. В результате такой коммутации тока через линейные проводники 3 в пространстве вокруг электрической дуги образуется сплошная цилиндрическая магнитная стенка, обеспечивающая совместно с магнитным полем, созданным статической магнитной системой, стабилизацию дуги на рабочей поверхности катода 1.

Плазменный поток, состоящий из положительно заряженных ионов, генерируемый катодным пятном, размещенным на рабочем торце катода вакуумно-дугового источника плазмы, направляется в сторону изделия и осаждается на нем в виде покрытия.

П р и м е р. Осуществляли нанесение покрытия из нитрида титана на деформирующую протяжку высотой 600 мм, установленную в подложкодержателе.

Для этого использовали выполненный в виде прямоугольной пластины катод из материала титана. Размеры пластины: длина 650 мм, ширина 100 мм.

Длина линейного проводника, размещенного вдоль ребра катода, имеющего большую длину 1200 мм.

В рабочую камеру подавали азот под давлением 10^-1 Па. Ток дуги составил 200 А.

В результате получали качественное покрытие с равнотолщинностью 5%
Включали статическую и динамическую системы магнитной стабилизации дуги.

Определяли оптимальные расстояния между замыкающим проводником и боковой поверхностью пластины S в зависимости от расстояния между линейными проводниками L. Результаты помещены в таблице.

При отключении динамической системы магнитной стабилизации стабильность горения разряда на рабочей торце катода снижалась в 2-3 раза (в 2-3 раза увеличивалось число самопроизвольных погасаний разряда в единицу времени за счет выхода катодных пятен на боковую поверхность катода).

Как видно из вышеизложенного, по сравнению с прототипом предлагаемое изобретение обеспечивает нанесение качественного покрытия на изделие высотой 600 мм. Размеры изделий могут быть и более при использовании катода, выполненного в виде пластины, имеющей большую длину, например 2 м.

Использование: нанесение вакуумных покрытий, применяемых в различных областях народного хозяйства, например в машиноприборостроении, в электронной технике и т.п. Цель - нанесение качественных покрытий на длинномерные и крупногабаритные изделия. Источник плазмы кроме статической системы магнитной стабилизации дополнительно снабжен динамической системой магнитной стабилизации. Обе магнитные системы образованы взаимно перпендикулярными линейными проводниками, причем линейные проводники динамической магнитной системы разделены на секции и подключены к источнику тока через коммутатор, обеспечивающий их поочередное включение. Катод источника плазмы выполнен в виде прямоугольной пластины. Предлагаемая магнитная система позволяет удерживать на торцовой рабочей поверхности катода катодные пятна, являющиеся источником плазмы, и получать качественные покрытия на длинномерных поверхностях. 3 з. п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ИСТОЧНИК ПЛАЗМЫ, содержащий катод с рабочей торцовой поверхностью, охваченной статической системой магнитной стабилизации, силовые линии которой наклонены в направлении рабочего торца, основной и вспомогательный аноды, экран, размещенные соосно с катодом и высоковольтный поджигающий электрод, отличающийся тем, что источник плазмы дополнительно содержит динамическую систему магнитной стабилизации, которая образована линейными проводниками, охватывающими рабочий торец катода по всему его периметру, расположенными перпендикулярно к торцу и разделенными на секции, причем проводники каждой секции подключены к источнику тока через коммутатор и так, что направление тока в линейных проводниках динамической системы магнитной стабилизации одинаково, катод выполнен в виде прямоугольной пластины, а статическая система стабилизации также образована линейными проводниками, которые параллельны ребрам пластины, имеющим большую длину. 2. Источник по п.1, отличающийся тем, что линейные проводники соединены между собой замыкающими ток проводниками, причем для проводников статической системы стабилизации расстояние S, м, между замыкающим проводником и боковой поверхностью пластины и расстояние L, м, между линейными проводниками выбрано из соотношения
L ≅ S ≅ 3L. 3. Источник по п.1, отличающийся тем, что каждый линейный проводник статической системы магнитной стабилизации образует прямоугольный контур, расположенный со стороны боковой поверхности катода. 4. Источник по п.2, отличающийся тем, что проводники, замыкающие линейные проводники статической системы магнитной стабилизации, расположены перпендикулярно к плоскости рабочего торца катода.