УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПЛАЗМЫ ДУГОВОГО ИСПАРИТЕЛЯ ОТ МИКРОЧАСТИЦ Российский патент 1998 года по МПК H01J3/40 C23C14/48 

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

Формирование плазмы вакуумным дуговым разрядом или дуговым разрядом при пониженном давлении различных газов сопровождается формированием 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, в частности 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.А. 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 макрочастицы оседают на внутренней поверхности плазмовода и происходит эффективная очистка плазмы.

Коэффициент пропускания заряженных частиц такой системой составляет 50% при напряженностях магнитного поля 800 э и для потока титановой плазмы.

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

Наиболее близким к изобретению является устройство, так называемое "газодинамическая заслонка" для очистки плазменного потока от микрокапельной и нейтральной фракции (Абрамов И. С., Андреев В.А. и др. Известия ВУЗов. Физика. 1994, N 3, с. 128), представляющее собой жалюзийную систему плоско-параллельных электродов, расположенных под углом к направлению скорости потока плазмы. Угол наклона α , ширина пластин d и расстояние между ними h выбираются так, чтобы полностью перекрывать сечение в направлении распространения плазменного потока: . 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 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.

Таким образом, при использовании вакуумно-дуговых испарителей для нанесения покрытий перед разработчиками стоит задача создания простого и надежного устройства, эффективно пропускающего заряженные частицы плазмы и полностью задерживающего нейтральные частицы и микрокапельную фракцию.

Для решения этой задачи предлагаемое устройство (как и прототип) содержит жалюзийную систему электродов, установленных под углом к оси дугового испарителя так, что поверхностью электродов полностью перекрывается сечение поперек этой оси. В отличие от прототипа 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 через электроды жалюзийной системы приводит к формированию вокруг электродов магнитного поля, приводящего к частичной или полной замагниченности электронов плазмы. Это 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 уменьшения величины тока, который необходимо пропускать через электроды жалюзийной системы для создания требуемой для замагниченности электронов величины магнитного поля, каждый электрод целесообразно выполнять в виде набора отдельных проводников, расстояние между которыми и поперечные размеры которых выбираются из тех же соображений полного перекрывания прямого потока плазмы. Все проводники включены последовательно, и проводники одной жалюзийной пластины включены согласно, а в соседних пластинах - встречно. В результате ток во всех проводниках каждой жалюзийной пластины имеет одно и то же направление и токи в соседних жалюзийных пластинах текут в противоположном направлении.

Жалюзийные электроды как сплошные, так и состоящие из отдельных проводников могут быть выполнены с разным углом наклона к оси дугового испарителя и такое выполнение устройства целесообразно применять для дуговых испарителей с большой рабочей поверхностью катодов.

Кроме того, для более надежного перекрывания при большом разнесении электродов друг от друга (следовательно, и большей прозрачности системы) каждый электрод целесообразно выполнять изогнутым по ширине либо в виде части цилиндрической поверхности, либо в виде двух состыкованных под тупым углом плоскостей.

Предлагаемое устройство и его варианты схематически изображены на прилагаемых чертежах, где на фиг. 1 изображена общая схема устройства для очистки плазмы; на фиг. 2 - отдельно жалюзийная система и показано ее электрическое подключение к источнику тока; на фиг. 3 и 4 - жалюзийная система, электроды которой выполнены в виде набора отдельных проводников, при этом на фиг. 3 проводники имеют прямоугольное сечение, а на фиг. 4 электроды состоят из набора круглых проводников, на фиг. 5 - жалюзийная система с разным углом наклона электродов испарителей при большой рабочей поверхности катода; на фиг. 6 и 7 - жалюзийные системы не с плоскими, а изогнутыми под тупым углом или в виде части цилиндрической поверхности электродами.

В целом устройством для очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц представляет собой жалюзийную систему 1, размещенную поперек оси 2 дугового испарителя 3. На чертеже изображены только анод 4 и катод 5 испарителя, остальные его элементы как несущественные для данного устройства опущены. Жалюзийная система 1 представляет собой отдельные электроды-жалюзи 6, расположенные под углом к оси 2 испарителя 3 так, что полностью перекрывают апертуру испарителя. Электроды 6 жалюзийной системы электрически соединены между собой последовательно и встречно (фиг. 2) и подключены к источнику тока 7. Между анодом 4 испарителя 3 и жалюзийной системой 1 подключен источник напряжения 8, причем положительным выводом к жалюзийным электродам 6. Линии 9 изображают силовые линии магнитного поля. Электроды 6 могут быть выполнены в виде отдельных проводников 10 прямоугольного (фиг. 3) или круглого сечения (фиг. 4). Проводники электрически соединены последовательно так, что в проводниках одного электрода 6 токи текут в одном и том же направлении, а в проводниках 10 соседних электродов 6 - в противоположном направлении.

Такое выполнение электродов позволяет в n раз (где n - количество проводников в пластине) уменьшить требования по току к источнику тока 7.

Устройство работает следующим образом.

Дуговой испаритель 3 формирует плазменный поток 11. Плазменный поток 11, формируемый в катодных пятнах дугового разряда, горящего между катодом 5 и анодом 4, испарителя направлен в сторону открытого торца анода 4, на выходе которого установлено устройство 1 для очистки плазмы 11 от микрокапельной фракции и нейтральной компоненты. От внешнего источника питания 7 по пластинам 6 пропускают ток. К пластинам от дополнительного источника 8 подается положительный относительно анода 4 дугового испарителя 3 потенциал.

Плазма вакуумного дугового испарителя 1 характеризуется значительной направленной скоростью ионов в потоке 11. Энергетический спектр ионов в плазменном потоке 11 определяется наличием ионов с энергией от нескольких электронвольт до сотни электронвольт и зависит как от материала катода 5, так и параметров внешней цепи разряда испарителя.

Поток микрокапельной фракции и нейтральной компоненты плазменного потока 11, распространяясь по прямым линиям, определяемым процессами на катоде, сталкивается с жалюзийными электродами 6 системы очистки 1 плазменного потока, и частицы оседают на них. Если объем экспериментальной или технологической вакуумной камеры полностью перекрывается установленными под углом жалюзями от прямого прохождения частиц, то микрочастицы и нейтральные атомы и молекулы отсутствуют в плазменном потоке 12 после жалюзийной системы 1 и не участвуют в последующем процессе осаждения покрытий, что, в свою очередь, обеспечивает повышение качества покрытий.

Прохождение плазменного потока 11 через систему жалюзей 6 сопровождается следующими физическими закономерностями. Прохождение тока от источника 7 по электродам 6 жалюзийной системы сопровождается формированием магнитного поля вокруг них. Наличие этого поля приводит к частичной или полной замагниченности электронов плазмы, что резко уменьшает ток электронов на жалюзийные электроды 6. При подаче положительного потенциала на электроды 6 относительно анода 4 испарителя 3 вблизи поверхности электродов-жалюзей 6 формируется приэлектродное падение потенциала. Величина приэлектродного падения потенциала определяется разницей потенциалов электродов 6 и плазмы, имеющей потенциал, близкий к потенциалу анода 4 дугового испарителя.

Электрическое поле приэлектродного слоя является отражающим для ионов плазменного потока 11.

Ионы плазменного потока 11, имеющие направленную скорость при подлете к поверхности электродов 6 испытывают влияние приэлектродного падения напряжения. Если ион приближается к поверхности под углом β , то он имеет составляющую энергии
E = E_zosinβ+kT_i, (1) ,
где
(E_zo - энергия иона в плазме, T₁ - температура ионов, k - постоянная Больцмана), на которую влияет приэлектродный потенциальный барьер. Это означает, что если
Ze(ϕ_ж-ϕ_п) ≥ E_zosinβ+kT_i (2) ,
(Z - зарядность ионов; e - заряд электрона), то ион отразится от поверхности электрода 6 и продолжит свое движение в плазме, включаясь в общий поток 12 ионов, проходящих через систему очистки плазмы от микрокапельной фракции. Учитывая существенное различие в энергиях ионов (E_zo/Z) для разных зарядностей за счет управления углом наклона жалюзей и их потенциала можно также управлять средним зарядовым составом проходящего ионного потока 12.

Как следует из (2), для отражения ионов от жалюзей 6 не требуется значительных электрических полей. Реально для этого достаточно приэлектродного падения, не превышающего 40 В.

Эффективность прохождения плазменного потока через систему очистки 1 зависит от параметров плазмы, параметров самой системы и может изменяться в широких пределах. Оптимизация всех параметров позволяет пропускать через систему очистки плазмы от микрокапельной фракции до 80% плазмы, очищая ее от микрокапельной фракции и нейтральной компоненты.

Как показали экспериментальные исследования, для замагничивания электронов плазмы дугового разряда через электроды 6 жалюзийной системы необходимо пропускать токи порядка 500 - 1500 . Для того, чтобы использовать широко распространенные стандартные источники тока, целесообразно электроды 6 жалюзийной системы выполнять в виде отдельных проводников 10 прямоугольного (как на фиг. 3) или круглого (как на фиг. 4) сечения. При этом если все проводники 10 подключить последовательно и так, чтобы в проводниках 10 одного и того же электрода 6 токи текли в одном направлении, а в соседних пластинах 6 в противоположном, то можно в n-раз (где n - количество проводников 10 в одной пластине 6) уменьшить величину тока в проводнике 10. Следовательно, во столько же раз можно уменьшить номинал по току источника тока 7.

Для увеличения прозрачности жалюзийной системы 1 для заряженных частиц плазменного потока 11 необходимо, чтобы частицы падали на электроды 6 под более тупыми углами при прочих равных условиях. В то же время, уменьшение угла наклона электродов 6 к оси 2 дугового испарителя требует уменьшения расстояния между электродами 6, или увеличения их ширины, чтобы полностью перекрывать прямой пролет микрокапельной фракции. А выполнение этого условия снижает прозрачность системы для плазмы. Чтобы снять это противоречие, электроды 6 целесообразно выполнять изогнутыми по ширине по цилиндрической поверхности (как показано на фиг. 6, либо в виде двух состыкованных плоскостей (фиг. 7). Последняя конструкция более технологична в изготовлении.

В качестве конкретного примера приведем параметры жалюзийной системы. Ширина электродов жалюзей 30 мм, и они выполнены из нержавеющей стали. Длина жалюзийной системы (200 мм) позволяет полностью перекрыть апертуру дугового испарителя. Расстояние между соседними жалюзями 10 мм. Угол наклона жалюзей относительно оси испарителя - 15^o. Потенциал смещения, подаваемый на жалюзи относительно анода испарителя 10 В. Ток, пропускаемый по каждому электроду жалюзийной системы, составляет 600 . Жалюзийная система расположена на расстоянии 20 см от катода испарителя и, позволяя полностью избавиться от нейтральной компоненты плазмы, имеет прозрачность 70% для заряженных частиц.

Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц относится к плазменному нанесению покрытий и предназначено для улучшения качества покрытий, наносимых с помощью вакуумно-дуговых испарителей. Устройство содержит жалюзную систему электродов, наклоненных к оси испарителя так, что электроды полностью перекрывают аппертуру испарителя. Электроды электрически соединены между собой последовательно и встречно и подключены к источнику тока. Между жалюзной системой и анодом испарителя включен источник напряжения смещения положительным выводом к жалюзной системе, что повышает прозрачность жалюзной системы. Электроды могут быть выполнены из набора проводников, включенных последовательно и согласно в одной жалюзной пластине и встречно - в соседних, что уменьшает величину тока, пропускаемого через систему. Для испарителей с большой рабочей поверхностью катода жалюзные пластины системы расположены под различными углами к оси испарителя. Большую прозрачность имеют жалюзные пластины, изогнутые по ширине в виде части цилиндрической поверхности, либо в виде двух плоскостей, состыкованных под тупым углом. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для очистки плазмы дугового испарителя от микрочастиц, содержащее жалюзийную систему электродов, установленных под углом к оси дугового испарителя так, что поверхностью электродов полностью перекрывается сечение поперек этой оси, отличающееся тем, что электроды жалюзийной системы электрически соединены между собой последовательно и встречно и подключены к источнику тока, а между жалюзийной системой и анодом дугового испарителя включен источник напряжения положительным выводом к жалюзийной системе. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый электрод жалюзийной системы выполнен в виде набора отдельных проводников, включенных последовательно и так, что проводники одного электрода включены согласно, а соседних электродов - встречно. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что жалюзийные электроды выполнены с различным углом наклона к оси испарителя. 4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что жалюзийные электроды изогнуты по ширине в виде части цилиндрической поверхности. 5. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что жалюзийные электроды изогнуты по ширине в виде двух или более состыкованных плоскостей.