ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ИСТОЧНИК ПЛАЗМЫ Российский патент 1997 года по МПК H05H1/50 C23C14/35 

Изобретение относится к вакуумно-плазменной технологии и может быть применено для нанесения покрытий.

В последние годы широкое распространение получила технология нанесения покрытий, основанная на применении потоков металлической плазмы, получаемых с помощью вакуумно-дуговых устройств с интегрально-холодным катодом. Использование данной технологии позволяет интенсифицировать процесс нанесения покрытий, обеспечить высокую их чистоту и хорошую адгезию.

Вакуумно-дуговой разряд горит в парах материала катода. Разряд привязан к поверхности катода микропятнами, в зоне которых температура материала катода, как правило, превышает температуру кипения. Пятна хаотически перемещаются по поверхности, и их скорость лежит в диапазоне от десятых долей до нескольких десятков метров в секунду. Плотность тока в катодных пятнах (КП) имеет порядок 10⁹ 10¹⁰ A/м², что и вызывает интенсивное испарение катода, обеспечивающее высокую эффективность процесса горения разряда [1 и 2] Создание вакуумно-дуговых источников плазмы требует решения задачи удержания КП на рабочей поверхности катода и обеспечения управлением движения заряженной компоненты плазменного потока.

В настоящее время широкое практическое применение нашли вакуумно-дуговые источники плазмы с коаксиальной системой электродов и внешней магнитной системой стабилизации катодных пятен [3 и 4] В этом случае используются закономерности движения КП во внешнем неоднородном магнитном поле: катодное пятно вакуумной дуги в достаточно сильном магнитном поле, силовые линии которого пересекают поверхность катода под острым углом движутся в "антиамперовом" (обратном) направлении, т. е. смещаются в cторону острого угла [5] Использование стабилизирующей катушки ведет к удержанию КП на рабочей поверхности катода и формированию расходящегося плазменного потока.

Из используемых на практике источников следует также отметить устройства со стабилизацией КП арочным магнитным полем [6] КП в этом случае, двигаясь по правилу "острого угла", локализуются под вершиной магнитной арки и циркулируют по замкнутой траектории.

Представленные источники плазмы генерируют сильно неоднородный, ограниченный по размерам плазменный поток. В связи с этим, для обработки длинномерных изделий требуется создание вакуумно-дуговых устройств протяженной конструкции.

Представлена также [7] конструкция стержневого катода с локализацией КП магнитными полями двух встречно включенных соленоидов. За счет изменения тока в соленоидах осуществляется сканирование КП по длине рабочей зоны катода. К недостаткам данной конструкции следует отнести невысокий коэффициент использования плазмообразующего материала, сложность в системе размещения соленоидов и в управлении перемещением КП для получения равномерного покрытия по длине обрабатываемого изделия.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков является устройство [8] Данный источник состоит из протяженного цилиндрического катода, внутри которого, на оси расположен набор постоянных магнитов, намагниченных в осевом направлении, и противостоящих друг другу одноименными полюсами. Катод имеет токоподвод, снабжен поджигающим электродом и дугогасящими экранами. Функции анода выполняет вакуумная камера. Удержание катодного пятна (КП) на боковой поверхности цилиндрического катода осуществляется магнитным полем "арочной" конфигурации. Для усиления "арочных" свойств создаваемого магнитного поля используется магнитопровод, расположенный между магнитами. Формируемое магнитное поле представляет из себя набор "арок" от отдельно взятых магнитов, при этом поле ориентировано так, что составляющие вектора индукции магнитного поля лежат в плоскости, параллельной оси катода.

При горении дуги на движение КП оказывает влияние как магнитное поле постоянных магнитов, так и на поле токового канала в плазме и тока, текущего по катоду. КП перемещаются от поджигающего электрода в сторону токоподвода, имея составляющие как продольного перемещения в сторону токоподвода (носящую случайный характер), так и азимутальную компоненту, обеспечивающую их вращение вокруг оси катода под "аркой" магнитного поля. При равных протяженностях магнитного поля под "арками" происходит сканирование КП из одной зоны в другую исключительно случайным образом, что вносит неуправляемость в характер продольного перемещения.

Для получения равномерного покрытия по высоте обрабатываемого изделия, необходимым условием является вращение детали как вокруг своей оси, так и вокруг оси катода. С целью повышения коэффициента использования плазмообразующего материала и экономии энергозатрат требуется производить полную загрузку рабочего объема и при этом обеспечить стабильное горение вакуумно-дугового разряда. При обработке изделий, диаметр которых сопоставим с половиной диаметра рабочего объема и более, использование данной системы напыления представляется нецелесообразным, так как исключается возможность обеспечения вращения изделия вокруг катода. Данный недостаток ведет к получению неравномерного покрытия по толщине (до десятков процентов), при этом также резко сокращается коэффициент использования плазмообразующего вещества.

Задача изобретения создание протяженного вакуумно-дугового источника плазмы с прямолинейным характером движения КП по рабочей поверхности катода. Данное усовершенствование позволит обеспечить следующие технические результаты:
равномерность толщины формируемого покрытия на длинномерных изделиях;
повышение коэффициента использования плазмообразующего материала.

Задача достигается за счет того, что в вакуумно-дуговом источнике плазмы, содержащем протяженные цилиндрический катод и протяженную магнитную систему, дугогасящий экран, поджигающий электрод и анод, используется протяженная магнитная система, составляющие вектора индукции магнитного поля которой по длине рабочей зоны катода, лежат в плоскости, перпендикулярной оси катода.

Предлагаемое устройство отличается от известного следующим.

В известном устройстве магнитное поле, формируемое для управления движением КП, имеет "арочную" конфигурацию и ориентировано так, что составляющие вектора индукции магнитного поля лежат в плоскости, параллельной оси катода. Перемещение КП осуществляется в основном в азимутальном направлении: под "аркой" магнитного поля, а в продольном (при переходе от "арки" к "арке") происходит случайным образом в случае равенства напряженности магнитного поля между соседними магнитами. Данное условие требует подбора магнитов с очень близкой напряженностью, так как отклонение вносит непредсказуемость в характер движения КП.

В предлагаемом устройстве движение КП вдоль катода от поджигающего электрода к противоположному концу носит упорядоченный характер и осуществляется по прямолинейной траектории, что достигается за счет того, что протяженная магнитная система выполнена таким образом, что вектор индукции магнитного поля по длине рабочей зоны катода лежит в плоскости, перпендикулярной его оси. Данное условие удерживает КП от азимутального перемещения по поверхности катода.

На фиг. 1 представлено взаимное расположение цилиндрического протяженного катода и магнитной системы, выполненной постоянными магнитами (б) и петлевой обмоткой (а); на фиг. 2 конструкция вакуумно-дугового источника плазмы; на фиг. 3 зависимость среднего времени пробега катодными пятнами расстояния поджигающий электрод экран от величины индукции магнитного поля.

Принцип действия предлагаемого вакуумно-дугового источника плазмы протяженной конструкции основан на управлении движением КП с помощью внешнего магнитного поля, создаваемого протяженной магнитной системой. Данная система может быть реализована либо в виде петлевой обмотки, либо на основе магнитотвердых материалов.

На фиг. 1 схематически представлено взаимное расположение элементов катод-магнитная система, предполагаемая траектория перемещения КП от поджигающего электрода к токоподводу и силовые линии создаваемого магнитного поля, в котором это движение осуществляется. При наложении магнитного поля ортогональная составляющая индукции магнитного поля удерживает КП от азимутального перемещения, а тангенциальная составляющая обеспечивает их продольное упорядоченное перемещение по прямолинейной траектории. Протяженность магнитной системы должна превышать длину рабочей зоны катода, а ее ориентация относительно катода должна быть такой, чтобы краевые эффекты не искажали прямолинейного характера движения КП на начальном и конечном участке движения. Удаление магнитной системы от оси катода зависит от создаваемой величины индукции магнитного поля. Изменение ориентации магнитной системы относительно своей оси и соответственно катода приводит к смещению траектории движения КП на его поверхности в соответствии с картиной магнитного поля (фиг. 1). При относительно небольших градиентах электрического поля заряженная компонента плазменного потока движется вдоль магнитных силовых линий внешнего магнитного поля. Таким образом, приложенное магнитное поле задает направление движения плазменного потока над поверхностью катода.

В каждом случае выбор параметров и размеров магнитной системы обусловлен конструкцией используемого вакуумно-дугового устройства.

На фиг. 2 представлена конструкция вакуумно-дугового устройства, состоящего из протяженного цилиндрического катода (К) 1, токоподвода (ТП) 2, электрически изолированного от катода дугогасящего экрана 3, поджигающего электрода (ПЭ) 4, вакуумная камера 5 выполняет функции анода, протяженная магнитная система (МС) выполнена в виде петлевой обмотки 6, в рабочем объеме расположено обрабатываемое изделие 7, установленное на электрически изолированном диске 8, вращение которого обеспечивает двигатель 9. Магнитная система 6, например, расположена не в рабочем объеме камеры, а с внешней его стороны. Данное условие позволяет устранить влияние теплового воздействия обмотки в процессе работы на величину достигаемого вакуума в системе.

Вакуумно-дуговой источник плазмы работает следующим образом.

На поверхности катода 1 от поджигающего устройства 4 формируются КП, которые в магнитном поле петлевой обмотки 6 перемещаются к токоподводу 2. При попадании КП в зазор катод 1 дугогасящий экран 3 происходит погасание вакуумно-дугового разряда. Интервал между поджигающими импульсами больше или равен среднестатистическому времени жизни КП на поверхности катода.

Наложение внешнего магнитного поля величиной в несколько мТл упорядочивает продольное перемещение КП по поверхности катода. На фиг.3 представлены экспериментальные зависимости среднего времени пробега КП расстояния от поджигающего электрода 4 до дугогасящего экрана 3. Сокращение времени пробега τ c увеличением индукции магнитного поля свидетельствует о спрямлении траектории движения КП. Результаты получены на титановом катоде длиной 200 мм и диаметром 50 мм. Внешняя магнитная система в виде петлевой обмотки была выполнена проводом ПЭТВ-2 диаметром 0,65 мм, с продольными размерами 350 мм, расстояние между протяженными сторонами равнялось 120 мм.

Осаждение ионной компоненты плазменного потока осуществляется на обрабатываемом изделии 7, расположенном на пути ее движения. Скорость роста наносимого покрытия связана с параметрами плазменного потока следующим образом
,
где j_i плотность тока ионов на изделие;
κ, S коэффициенты аккомодации ионов и распыления ими поверхности;
e заряд одного иона;
n_о концентрация атомов в наносимом покрытии.

Распределение плотности ионного тока вдоль оси катода имеет равномерный характер. Неравномерность не превышала единицы процентов. Данное распределение не зависит от величины накладываемого магнитного поля. Характер движения КП на поверхности потока по прямолинейной траектории обеспечивает получение равномерного покрытия на обрабатываемом изделии.

Практически предлагаемая конструкция вакуумно-дугового устройства с протяженным цилиндрическим катодом длиной 500 мм была опробована для нанесения покрытия на изделия цилиндрической формы диаметром 200 мм и высотой 450 мм. Неравномерность покрытия как по длине, так и по внешней стороне не превышала единиц процентов.

Список литературы
1. Мойжес Б.Я. Немчинский В.А. Эрозия и катодные струи вакуумной дуги. // ЖТФ, 1980, т.50, N 1, с. 78 86.

2. Немчинский В. А. О движении катодного пятна вакуумной дуги. // ЖТФ, 1979, т.49, N 7, с. 1379 1384.

3. Аксенов И. И. Хороших В.М. Потоки частиц и массоперенос в вакуумной дуге: Обзор. М. ЦНИИатоминформ, 1984.

4. Дороднов А.М. Петросов В.А. О физических принципах и типах вакуумных технологических плазменных устройств. // ЖТФ, 1981, т.51, N 3, с. 504 524.

5. Касаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. М. Наука, 1968.

6. АС N 42650, кл. C 23 C 15/00. Б.И. N 37, 1975. Электроразрядное устройство для нанесения покрытий в вакууме. Денисов Б.В. и др.

7. АС N 569949, кл. C 23 C 13/08, Б.И. N 27, 1977. Электродуговой испаритель материалов. Ефимов Ю.П. и др.

8. Карпов Д.А. Потехин С.Л. Способы магнитной локации катодных пятен вакуумной дуги и конструкции электродуговых испарителей с магнитной стабилизацией. Препринт НИИЭФА им.Д.В.Ефремова. НИИЭФА П-А-0588. Л. 1982.

Использование: вакуумно-плазменная технология, для нанесения покрытий на длинномерные изделия как в электронной технике, так и в производстве изделий массового потребления. Сущность изобретения: вакуумно-дуговой источник плазмы, содержащий протяженный катод с дугогасящим экраном, расположенным со стороны токоподвода к катоду, поджигающий электрод и анод, снабжен протяженной магнитной системой, ориентированной вдоль катода. Магнитная система может быть выполнена в виде петлевой обмотки или в виде постоянных магнитов. Составляющие вектора индукции магнитного поля по длине рабочей зоны катода лежат в плоскости, перпендикулярной его оси симметрии, что позволяет обеспечить равномерность толщины формируемого покрытия на длинномерные изделия и повысить коэффициент использования плазмообразующего материала. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Вакуумно-дуговой источник плазмы, содержащий протяженный катод и протяженную магнитную систему, дугогасящий экран, поджигающий электрод и анод, отличающийся тем, что протяженная магнитная система выполнена таким образом, что составляющие вектора индукции магнитного поля по длине рабочей зоны катода лежат в плоскости, перпендикулярной его оси. 2. Источник плазмы по п.1, отличающийся тем, что протяженная магнитная система выполнена в виде петлевой обмотки. 3. Источник плазмы по п.1, отличающийся тем, что протяженная магнитная система выполнена в виде постоянных магнитов.