УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПЛАЗМЫ ДУГОВОГО ИСПАРИТЕЛЯ ОТ МИКРОЧАСТИЦ (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК H01J3/40 H01J29/84 H01J37/07 

Изобретение относится к плазменным технологиям нанесения пленочных покрытий и предназначено для очистки плазменного потока дуговых испарителей от микрокапельной фракции.

Формирование плазмы вакуумным дуговым разрядом или дуговым разрядом при пониженном давлении различных газов сопровождается образованием микрокапельной фракции и нейтральной атомарной и молекулярной компоненты. Процентное содержание микрокапельной фракции, размеры микрочастиц зависят от материала катода и тока дуги испарителя и могут изменяться от нескольких процентов для тугоплавких катодов из вольфрама и молибдена, до более чем 50% для легкоплавких материалов, таких как алюминий, цинк и т.п. Наличие микрокапельной фракции в плазменном потоке резко снижает качество осаждаемых покрытий, особенно тонких, толщиной, сравнимой с размерами микрокапель.

Известно устройство транспортировки стационарного потока металлической плазмы вдоль протяженной криволинейной системы, в котором реализованы принципы плазмооптики (Аксенов И. И, Белоус В.В. и др. Физика плазмы т.4, вып. 4, 1978, с. 758), содержащее криволинейный плазмовод из немагнитной стали, представляющий собой четверть тора. Выходной прямолинейный участок плазмовода с соленоидом находится в вакуумной камере. Магнитное поле в системе создается катушками, размещенными снаружи плазмовода. На плазмовод подается положительный потенциал порядка 15 20 В, электрическое поле совместно с магнитным создает плазмооптическую систему, в которой поворот ионного потока осуществляется при напряженности магнитного поля, более чем в 3 раза меньшей, чем требуется для поворота только тороидальным магнитным полем. Таким образом, на выход системы проходят только заряженные компоненты плазмы, нейтралы и микрочастицы оседают на внутренней поверхности плазмовода и происходит эффективная очистка плазмы.

Коэффициент пропускания заряженных частиц такой системой в лучшем случае составляет 50% при напряженностях магнитного поля 800 Э для потока титановой плазмы.

Такое устройство имеет сложную конструкцию, оно громоздко и неудобно в использовании.

Известно также устройство для очистки плазменного потока от микрокапельной и нейтральной фракции (см. И.С. Абрамов, В.А. Андреев и др. Известия ВУЗВов. Физика. 1994, N 3, с. 128). Это устройство представляет собой жалюзную систему плоскопараллельных электродов, расположенных под углом к направлению скорости потока плазмы. Угол наклона α, ширина пластин d и расстояние между ними h выбираются так, чтобы полностью перекрыть сечение в направлении распространения плазменного потока a = Arctg (h/L). В такой системе нейтральная и микрокапельная фракции оседают на электроды, а заряженные частицы плазмы в силу наличия тепловой энергии частично проходят между электродами. Коэффициент прозрачность такой системы очень мал (для L 35 мм, h 10 мм, α 17^o составляет не более 12%).

При простоте такого устройства, удобстве его использования, простоте изменения его геометрии даже в вакуумной камере простым изменением угла наклона пластин к плазменному потоку малая его прозрачность для плазмы существенно ограничивает возможности его применения для очистки плазмы дугового испарителя от нейтралов и микрокапель.

Известно устройство с более высоким коэффициентом прозрачности, выбранное за прототип. Это устройство содержит жалюзную систему электродов, установленных под углом к оси дугового испарителя так, что поверхностью электродов полностью перекрывается сечением поперек этой оси. Электроды жалюзной системы электрически соединены последовательно и встречно и подключены к источнику тока, а между жалюзной системой и анодом дугового испарителя подключен источник напряжения положительным выводом к жалюзной системе. Пропускание тока по электродам жалюзной системы приводит к формированию вокруг них магнитного поля, обеспечивающего замагниченность электронов плазмы, что резко уменьшает ток электронов (отрицательной компоненты плазмы) на жалюзи. Подача положительного потенциала на жалюзи относительно анода испарителя формирует вблизи поверхности жалюзей приэлектродное падение потенциала, электрическое поле которого является отражающим для ионов плазменного потока. Для полной замагниченности электронов плазмы в такой системе через жалюзные электроды необходимо пропускать токи порядка 500 1500) А. Это усложняет конструкцию устройства из-за сложности токоподвода к электродам, необходимости в достаточно мощных источниках тока. Из-за высоких токов в системе увеличивается тепловая нагрузка на электроды, снижается надежность устройства.

Эти технические трудности преодолены в предлагаемом устройстве, которое содержит жалюзную систему электродов, подключенную к положительному выводу источника напряжения, вторым выводом подключенного к аноду дугового испарителя.

В отличие от прототипа электроды жалюзной системы выполнены в виде постоянных магнитов, на поверхности которых нанесено проводящее покрытие, а торцы жалюзных электродов как со стороны испарителя, так и с противоположной стороны закрыты защитными экранами, электрически не связанными с жалюзями.

По второму варианту через электроды жалюзной системы также не проходит ток, а требуемое магнитное поле создается постоянными магнитами, расположенными снаружи жалюзной системы вблизи крайних электродов и имеющими форму, подобную форме электродов. Отсутствие в устройстве очистки токоподводов к электродам позволяет выполнять жалюзную систему не только в виде плоскопараллельных электродов, но и из коаксиальных электродов конической формы, что обеспечивает азимутальную симметрию очищенного плазменного потока. Причем в зависимости от направления вершины конусной системы к испарителю или от него будет формироваться либо расходящийся, либо фокусирующийся плазменный поток.

Таким образом, в предлагаемом устройстве в отличие от прототипа в межэлектродном пространстве создается магнитное поле требуемой конфигурации не за счет пропускания тока через электроды, а за счет постоянных магнитов. Это значительно упрощает конструкцию устройства, отпадает необходимость в источнике тока и снимаются проблемы токоподвода к электродам.

На фиг. 1 и 2 представлены два варианта предлагаемого технического решения: на фиг. 1 вариант, когда электроды выполнены в виде постоянных магнитов, на фиг. 2 магнитное поле создается постоянными магнитами, расположенными снаружи жалюзной системы; на фиг. 3 и 4 представлены коаксиальные конструкции жалюзей для первого варианта устройства; на фиг. 5 - аксиально-симметричная жалюзная система для второго варианта устройства.

Устройство очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц представляет собой систему жалюзных электродов 1, расположенных на пути плазменного потока 2 от дугового испарителя (не показан).

Жалюзные электроды 1 по первому варианту изобретения выполнены в виде постоянных магнитов 3 (фиг. 1, 3 и 4), с нанесенным на их поверхность проводящим покрытием 4. Торцы магнитов на входе и выходе устройства очистки закрыты защитными экранами 7. Защитные экраны электрически не связаны с жалюзными электродами 1 и служат для защиты электродов от прямого воздействия плазменного потока и формирования эквипотенциальных магнитных силовых линий с электрическими потенциалами, отличными от потенциала электродов 1. По второму варианту изобретения (фиг. 2 и 5) постоянные магниты 5 расположены снаружи жалюзной системы электродов 1. Причем для системы плоских электродов магниты 5 имеют также плоскую геометрию (фиг. 2), а для системы коаксиальных симметричных электродов (фиг. 5) магниты 5 имеют форму конической поверхности. Цифрами 6 обозначены силовые линии магнитного поля. Жалюзные системы устройства очистки любой конструкции подключены к положительному выводу источника напряжения, включенного между жалюзной системой и анодом дугового испарителя. Это подключение для простоты не показано.

Работает устройство следующим образом.

Система жалюзей 1 располагается на пути плазменного потока 2 от дугового испарителя. Микроканальная фракция и нейтральные компоненты плазменного потока 2, движущиеся по прямолинейным траекториям, осаждаются на электродах 1 жалюзной системы. Поданный на электроды 1 положительный потенциал обеспечивает отражение от них ионной компоненты плазмы и, соответственно, эффективное прохождение очищенного плазменного потока. Для удержания положительного потенциала на электродах 1 необходимо снизить проводимость плазмы за счет замагничивания электронной компоненты. С этой целью необходимо создать в межэлектродном пространстве продольное магнитное поле, которое создается двумя путями: изготовлением электродов 1 в виде постоянных магнитов 3 (фиг. 1, 3 и 4), либо размещением снаружи системы жалюзных электродов 1 постоянных магнитов 5, выполненных в форме, повторяющей геометрию жалюзных электродов 1 (фиг. 2 и 5). Требования к форме постоянных магнитов 5 определяются требованием создания магнитного поля определенной конфигурации. В обоих случаях в межэлектродном пространстве жалюзной системы формируется магнитное поле, силовые линии 6 которого расположены параллельно рабочим поверхностям жалюзных электродов 1. При магнитных полях, обеспечивающих полное замагничивание электронной компоненты плазмы, будет проявляться эффект плазменной линзы с эквипотенциализацией силовых линий магнитного поля. В то же время, даже при малых напряженностях магнитных полей, когда ларморовский радиус электронов в системе плазма-потенциальный электрод 1 становится меньше характерных геометрических размеров системы, уменьшается проводимость плазмы и в случаях существования разряда появляется возможность создания приэлектродного падения потенциала, обеспечивающего эффективное отражение ионов плазмы от жалюзных электродов 1.

В случае выполнения электродов 1 в виде постоянных магнитов 3 на их поверхность необходимо нанести проводящее покрытие 4, которое позволяет формировать приэлектродный потенциал.

Защитные экраны 7 до и после электродов 1 находятся под плавающим потенциалом и служат для уменьшения тепловой нагрузки на электроды, возникающей вследствие прямого попадания плазменного потока, а также для формирования эквипотенциальных магнитных силовых линий с потенциалом, отличным от потенциала электродов 1.

Отсутствие токоподводов к электродам 1 в предлагаемой системе позволяет выполнять жалюзные электроды 1 в виде части конической поверхности (фиг. 3, 4 и 5). Такая система коаксиальных электродов 1 обеспечивает азимутальную симметрию очищенного плазменного потока 2 и формирует либо расходящиеся (фиг. 3), либо сфокусированные (фиг. 4 и 5) плазменные потоки.

Таким образом, предлагаемое устройство, являясь очень простым по конструкции, позволяет с высокой эффективностью очищать плазму дугового испарителя от микрокапель и нейтральных частиц.

Сущность изобретения: устройство представляет собой жалюзную систему электродов, располагаемую на пути плазменного потока и подключенную к положительному выводу источника напряжения, вторым выводом подключенного к аноду дугового испарителя. Жалюзийные электроды выполнены в виде постоянных магнитов с проводящим покрытием, торцы которых с обеих сторон системы закрыты защитными экранами, электрически не связанными с жалюзями. По второму варианту снаружи жалюзной системы расположены постоянные магниты, форма которых подобна форме жалюзных электродов. В обоих вариантах жалюзная система может состоять как из плоскопараллельных, так и коаксиальных конических электродов. Коаксиальная система дает аксиально-симметричный очищенный расходящийся либо сфокусированный плазменный поток. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц, содержащее жалюзийную систему электродов, подключенную к положительному выводу источника напряжения, вторым выводом подключенного к аноду дугового испарителя, отличающееся тем, что электроды выполнены в виде постоянных магнитов с нанесенным на их поверхность проводящим покрытием, а торцы жалюзийных электродов с обеих сторон системы закрыты защитными экранами, электрически не связанными с жалюзи. 2. Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц, содержащее жалюзийную систему электродов, подключенную к положительному выводу источника напряжения, вторым выводом подключенного к аноду дугового испарителя, отличающееся тем, что снаружи системы жалюзийных электродов расположены постоянные магниты, выполненные в форме, подобной форме жалюзийных электродов. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что система жалюзийных электродов выполнена из коаксиальных электродов усеченной конической формы.