УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПЛАЗМЫ ДУГОВОГО ИСПАРИТЕЛЯ ОТ МИКРОЧАСТИЦ (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК H01J3/40 H01J29/84 

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 для очистки плазменного потока от микрокапельной и нейтральной фракции [1]. Это устройство представляет собой жалюзийную 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 α = 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 прозрачности такой системы очень мал (для L = 35 мм, h = 10 мм³, 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 [2]. Это устройство содержит жалюзийную систему плоских электродов, установленных под углом к оси дугового испарителя так, что поверхностью электродов полностью перекрывается сечение поперек этой оси. Электроды жалюзийной системы электрически соединены последовательно и встречно и подключены к источнику тока, а между жалюзийной системой и анодом дугового испарителя подключен источник напряжения положительным выводом к жалюзийной системе. Пропускание тока по электродам жалюзийной 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 жалюзи приэлектродное падение потенциала, электрическое поле которого является отражающим для ионов плазменного потока. Такое устройство имеет прозрачность для частиц плазмы до 70%. Ввиду того что ионы отражаются от жалюзийных электродов, расположенных под углом к направлению потока плазмы, после прохождения устройства очистки поток плазмы меняет свое направление. Этот факт приводит к некоторым неудобствам при использовании такой жалюзийной системы, особенно в уже работающих участках нанесения пленок. В таких установках приходится менять расположение вакуумной камеры напыления по отношению к дуговому испарителю. Кроме того, зачастую для настройки устройства необходимо менять угол наклона жалюзи, а это неизбежно приводит и к необходимости смещать камеру напыления. Все это усложняет конструкцию установки. Поэтому перед разработчиками встала задача создания жалюзийной системы очистки, не меняющей направления потока плазмы.

Для решения этой задачи устройство очистки плазмы дугового испарителя, как и прототип, содержит жалюзийную систему плоских электродов, установленных под углом к оси дугового испарителя, перекрывающих апертуру испарителя, электрически соединенных между собой последовательно и встречно и подключенных к источнику тока и к положительному выводу источника напряжения, вторым выводом подключенного к аноду дугового испарителя. В отличие от прототипа электродная система выполнена осесимметричной, т.е. на двух половинах жалюзийной системы электроды наклонены навстречу друг другу, а два центральных электрода выполнены в виде клина, острым углом направленного в сторону испарителя.

У этой задачи есть и второй вариант решения. По нему устройство, как и прототип, содержит жалюзийную систему электродов, перекрывающих апертуру ускорителя и электрически соединенных между собой и источником тока последовательно и встречно. Вся система подключена к положительному выводу источника напряжения, вторым выводом подключенного к аноду дугового испарителя. В отличие от прототипа электродная система выполнена аксиально-симметричной в виде набора коаксиальных электродов, имеющих коническую форму.

На фиг.1 представлен общий вид устройства по первому варианту и его сечение по А-А, где 1 - жалюзийные электроды одной половины системы, 2 - жалюзийные электроды второй половины системы, 3 - центральные электроды, 4 - направление движения плазмы; на фиг.2 - общий вид и разрез устройства по второму варианту.

Вся система электродов должна находиться под положительным потенциалом относительно анода дугового испарителя. Для этого, как и в прототипе, между анодом и жалюзийной системой включен источник напряжения (не показан). Жалюзийные электроды 1 одной половины системы и электроды 2 другой половины наклонены навстречу друг другу так, что образуют сходящуюся систему. Два центральных электрода 3 наклонены так, что образуют клин, острым углом направленный в сторону дугового испарителя. Углы наклона электродов 1, 2 и 3, расстояние между ними и ширина пластин выбраны таким образом, что полностью перекрывают апертуру дугового испарителя. Угол конусности, ширина электродов и расстояние между ними во втором варианте устройства подбираются так же, как и в первом варианте, так, чтобы перекрыть апертуру испарителя.

Точками и крестиками на электродах обозначено направление движение тока в электродах. Для того чтобы реализовать такие токи в электродах их необходимо электрически соединить последовательно источнику тока. Такое подключение для плоских электродов реализуется стандартным образом так же как и в прототипе, поэтому ни источник тока, ни электрическое соединение электродов на фиг.1 не показаны.

На фиг. 2 цифрой 1 обозначены конусные электроды аксиально-симметричной жалюзийной системы. Электрическое соединение конических электродов 1 друг с другом показано на главном виде. При таком их соединении токи в соседних электродах будут направлены навстречу друг другу так, как это показано стрелками 5.

Работает устройство следующим образом. При прохождении плазменного потока 4 через устройство очистки плазмы микрокапельная фракция и нейтральная компонента осаждаются на поверхности жалюзи 1, 2 и 3. Основные процессы прохождения заряженных частиц плазмы через систему жалюзи такие же, как и в прототипе. Ионная компонента плазменного потока 4 под влиянием положительного потенциала жалюзи отражается от последних. Положительный потенциал на электродах удерживается за счет снижения поперечной проводимости плазмы вследствие замагничивания электронной компоненты магнитным полем, возникающим вокруг электродов при пропускании по ним электрического тока. После прохождения плазмы через систему жалюзи 1 и 2 за счет симметричной геометрии их расположения плазменный поток направлен к оси системы. Плазменный поток вблизи оси при прохождении через систему очистки испытывает двойное отражение. Первоначально, приближаясь к центральным электродам 3, образующим клин, плазменный поток отражается от соответствующего жалюзи клина в направлении от оси системы. В последующем плазма, отражаясь от каждого из жалюзи 3 клина, направляется к соответствующему жалюзи 1 или 2 приосевой области системы очистки и, испытывая вторичное отражение, проходит в область рабочей камеры, где производится осаждение покрытий. В коаксиальной системе электродов (фиг.2) происходят аналогичные процессы и очищенный плазменный поток сохраняет аксиальную симметрию. Причем, если вершину конусной системы направить в сторону дугового испарителя, то получим расходящийся плазменный поток, а если ее направить в противоположную сторону, то будем иметь сфокусированный поток. Таким образом, при прохождении системы очистки плазменный поток не меняет своего направления, что позволяет очень просто встраивать такое устройство в действующие вакуумно-дуговые установки нанесения покрытий, например "Булат", ННВ6-6.1, "Мир", ВУ-2МБС и др. Кроме того, устройство очистки обладает некоторым фокусирующим действием, что позволяет повысить эффективность использования плазменного потока.

Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц представляет собой жалюзийную систему электродов, располагаемую на пути плазменного потока и подключенную к аноду дугового испарителя. Электроды соединены между собой последовательно и встречно и подключены к источнику тока. Во втором варианте система электродов представляет собой неаксиальный набор электродов конической формы. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц, содержащее жалюзийную систему плоских электродов, перекрывающих апертуру испарителя, электрически соединенных между собой последовательно и встречно и подключенных к источнику тока и к положительному выводу источника напряжения, вторым выводом подключенного к аноду дугового испарителя, отличающееся тем, что электродная система выполнена осесимметричной со встречным и сходящимся наклоном электродов на двух ее половинах, а два центральных электрода выполнены в виде клина, острым углом направленного в сторону испарителя. 2. Устройство очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц, содержащее жалюзийную систему электродов, перекрывающих апертуру испарителя, электрически соединенных между собой последовательно и встречно и подключенных к источнику тока и к положительному выводу источника напряжения, вторым выводом подключенного к аноду дугового испарителя, отличающееся тем, что электродная система выполнена в виде набора коаксиальных электродов конической формы.