ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ИСТОЧНИК ПЛАЗМЫ Российский патент 2002 года по МПК H05H1/50 C23C14/35 

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

В последнее время широкое применение получила технология нанесения покрытия, основанная на применении 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. Плотность тока в катодных пятнах имеет порядок 10⁹...10¹⁰ А/м², что и вызывает интенсивное испарение катода, обеспечивающее высокую эффективность процесса горения разряда [1, 2] .

Вакуумно-дуговой разряд является устойчивым, если поддерживается динамическое равновесие между процессами распада и возникновением катодных пятен. Время жизни отдельной ячейки является величиной случайной, поэтому и продолжительность горения дуги также оказывается случайной величиной. О стационарном горении дуги можно говорить тогда, когда величина тока и общее количество элементарных ячеек достаточно велики. Поддержание разряда осуществляется напряжением, превышающим потенциал ионизации материала катода [3]. Основную часть этого напряжения составляет его катодное падение. Получаемые осциллограммы напряжения показывают наличие постоянной составляющей и большого числа флуктуаций, связанных с колебаниями разрядного тока. Уменьшение разрядного тока ведет к уменьшению постоянной составляющей с сопутствующим ростом амплитуды шумов.

При горении дугового разряда наблюдаемые физические процессы определяются исключительно поведением катодных пятен, которые являются принципиально неустойчивыми плазменными образованиями и характеризуются некоторым среднестатистическим временем жизни. В промежуток времени от образования катодного пятна до его гибели оно постоянно находится в хаотическом перемещении по поверхности катода, скорость которого лежит в диапазоне от десятков долей до нескольких десятков метров в секунду. Технологическое вакуумно-дуговое устройство выполняет свое функциональное предназначение лишь в том случае, если зоной вероятного существования пятна является исключительно рабочая поверхность катода.

Управление катодными пятнами и повышение надежности их удержания в заданной зоне эрозии является одной из самых актуальных проблем при разработке вакуумно-дуговых генераторов плазмы с интегрально-холодным катодом. По способу решения процесса стабилизации катодных пятен на рабочей поверхности катода дуговые источники плазмы можно разделить на источники: без применения специальных мер по удержанию катодного пятна [3] и источники с магнитной стабилизацией катодного пятна [4].

Одиночное катодное пятно хаотически перемещается по поверхности катода. Если пятен несколько, то они взаимно отталкиваются, что проявляется в их движение к краям рабочей поверхности. Скорость движения пятен к периферии катода с ростом тока дуги увеличивается. Расхождение пятен после акта деления хорошо наблюдается на плоской поверхности протяженного катода. Взаимное отталкивание катодных пятен противоречит правилу Ампера. Этому же правилу противоречит и движение катодных пятен в магнитном поле. Как известно, на любой проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, поверхностная плотность которой связана с величиной плотности тока и магнитной индукции соотношением . Однако катодное пятно вакуумной дуги перемещается в направлении, противоположном вектору где индукция внешнего магнитного поля.

В этом и проявляется характерный для катодных пятен эффект обратного движения в магнитном поле [5]. Скорость обратного движения катодных пятен не линейно увеличивается с ростом тока дуги и индукции магнитного поля. Наличие магнитного поля не является причиной перемещения катодных пятен, а лишь придает ему направленный характер.

Таким образом, характер перемещения катодных пятен базируется на следующих закономерностях: катодное пятно смещается в направлении максимально локального значения магнитного поля, которое складывается из собственного магнитного поля пятна и внешнего магнитного поля, формируемого с целью управления процессами на катоде. При произвольно ориентированном векторе индукции магнитного поля катодное пятно смещается в сторону, определяемую минимальным углом вектора индукции к поверхности катода (правило острого угла).

Магнитная стабилизация вакуумной дуги включает в себя локализацию катодных пятен на рабочей поверхности катода при помощи магнитного поля, за счет чего достигается повышение устойчивости всего разряда в целом. В этом случае стационарное поддержание разряда возможно при токах, вдвое меньших, чем в автостабилизированных источниках.

В источниках с коаксиальной системой электродов внешняя магнитная система удерживает катодные пятна на рабочей торцевой поверхности конического или цилиндрического катода, но, несмотря на наличие стабилизирующей катушки, существует конечная вероятность сбрасывания катодного пятна на нерабочую поверхность [6].

Однако данный тип источников генерирует сильно неоднородный, ограниченный по размерам плазменный поток, что существенно ограничивает возможность их практического применения. В связи с этим, для получения равномерного по сечению плазменного потока, например для обработки длинномерных и крупногабаритных изделий, требуется создание вакуумно-дуговых устройств протяженной геометрии, которые в настоящее время, в отличие от ранее рассмотренных испарителей, не имеют еще отработанных конструкционных решений.

Наиболее близким по совокупности признаков является вакуумно-дуговой источник плазмы, представленный в [7] и выбранный авторами за прототип.

Указанный источник состоит из протяженного цилиндрического катода, дугогасящего экрана, произвольно расположенного со стороны токового ввода, анода и протяженной магнитной системы, ориентированной вдоль катода и установленной с противоположной стороны относительно генерируемого потока плазмы.

При работе данного источника плазмы на поверхности катода у поджигающего электрода формируются катодные пятна, которые в магнитном поле петлевой обмотки перемещаются к токовому вводу. При попадании катодных пятен в зазор между катодом и дугогасящим экраном должно происходить погасание вакуумно-дугового разряда. Интервал между поджигающими импульсами больше или равен среднестатистическому времени жизни катодных пятен на поверхности катода.

Однако в ходе эксплуатации выявлены следующие недостатки.

Технологический процесс требует проведения предварительной очистки обрабатываемой поверхности от жировых загрязнений и адсорбированных жидкостей и газов. Распыление материала проводится в режиме сильноточного аномального тлеющего разряда. Роль катода в этом случае выполняет обрабатываемое изделие и, в частности, сетка генераторной лампы. Для устранения возможности образования различных химических соединений на ее поверхности и интенсификации протекания процесса очистка проводится в среде инертного газа - аргона.

При этих условиях осаждение распыляемого материала осуществляется не только на стенки вакуумной камеры, являющейся анодом, но и на поверхность цилиндрического катода. Данное условие приводит к загрязнению его рабочей поверхности, кроме того, на его поверхности могут формироваться как карбидные, так и оксидные слои, а также в промежуток времени от завершения технологического процесса напыления до начала повторного могут конденсироваться пары масел, попадающие в рабочий объем через откачную систему.

Катодный узел в рабочем объеме расположен таким образом, что нерабочая поверхность катода оказывается вблизи стенки вакуумной камеры. При срабатывании поджигающего устройства на поверхности катода возникают скоростные катодные пятна первого рода, которые, не взирая на накладываемое внешнее магнитное поле, осуществляют хаотические перемещения по поверхности катода с целью его очистки, в том числе и на его нерабочей части. Данная поверхность но своей величине превосходит рабочую, и с ее стороны возникают оптимальные условия для поддержания разряда между катодом и анодом. В связи с этим дуговой разряд горит на нерабочей поверхности, что приводит к сильному разогреву стенки анода, принимающему всю выделяющуюся мощность разряда. Такой режим работы является аварийным и ведет к нарушению работоспособности установки и загрязнению обрабатываемых деталей.

В процессе эксплуатации было также выявлено, что произвольно расположенный у токового ввода дугогасящий экран оказывает существенное влияние на конечное время жизни катодных пятен на рабочей поверхности. Наблюдаемая задержка катодных пятен в области дугогасящего экрана до 2...4 τ, где τ - оптимальное время их пробега, приводит к неравномерной эрозии плазмообразующего материала катода. Следует отметить, что даже при своевременном погасании разряда перед дугогасящим экраном образуется выемка, приводящая в последующем к задержке катодных пятен в этой зоне, дальнейшему росту углубления в материале катода и, как следствие, к неэффективному использованию плазмообразующего материала и к существенному увеличению в этой области толщины формируемого покрытия на обрабатываемом изделии.

Задачей заявляемого изобретения является создание безаварийного вакуумно-дугового источника плазмы протяженной конструкции с прямолинейным характером движения катодных пятен по рабочей поверхности и надежным дугогашением. Решение поставленной задачи позволит обеспечить следующие технические результаты:
1. Повысить надежность работоспособности источника плазмы.

2. Обеспечить равномерность толщины формируемого покрытия на обрабатываемых изделиях.

Поставленная задача решается за счет того, что в вакуумно-дуговом источнике плазмы, содержащем протяженный катод, дугогасящий экран, поджигающий электрод, анод и протяженную магнитную систему, выполненную таким образом, что составляющие вектора магнитного поля по длине рабочей зоны катода лежат в плоскости, перпендикулярной его оси, протяженный катод снабжен дополнительным экраном, охватывающим поверхность катода, с образованием продольного окна, формирующего рабочую поверхность на катоде от поджигающего электрода до дугогасящего экрана, установленного у токового ввода по срезу катода.

Предлагаемое устройство отличается от известного следующим: в известном устройстве перемещение катодных пятен от поджигающего электрода к токовому вводу осуществляется в магнитном поле протяженной магнитной системы, что не обеспечивает надежной их стабилизации на рабочей поверхности, и, кроме того, произвольно расположенный дугогасящий экран не обеспечивает надежного гашения разряда.

В заявляемом устройстве движение катодных пятен от поджигающего электрода к токовому вводу осуществляется в магнитном поле протяженного соленоида по рабочей поверхности катода, сформированной дополнительным экраном, полностью исключающего возможность отклонения катодных пятен от прямолинейной траектории при любых режимах работы испарителя. Расположение дугогасящего экрана у токового ввода по нижнему срезу цилиндрического катода обеспечивает надежное гашение дугового разряда.

Для известного и предлагаемого устройств указанные отличия принципиальны.

Заявляемая совокупность признаков изобретения авторам неизвестна. Вся заявляемая совокупность признаков позволила достичь технических результатов, указанных выше.

На чертеже представлена конструкция вакуумно-дугового источника плазмы.

Конструкция вакуумно-дугового источника плазмы состоит из протяженного цилиндрического катода 1, размещенного внутри тонкостенного цилиндрического дополнительного экрана 2, превышающего длину катода и имеющего вдоль оси катода окно 3, за счет которого по длине катода от поджигающего электрода 4 до дугогасящего экрана 5 формируется рабочая поверхность. Дугогасящий экран 5 с зазором расположен у токового ввода 6 по срезу цилиндрического катода 1. Вакуумная камера 7 выполняет функции анода. Протяженная магнитная система выполнена в виде петлевой обмотки 8, которая расположена с внешней стороны камеры. Данное условие позволяет устранить влияние ее теплового воздействия в процессе работы на величину достигаемого вакуума 5-10^-5 мм рт.ст. В рабочем объеме расположено обрабатываемое изделие 9, установленное на электрически изолированном диске 10, вращение которого обеспечивает электродвигатель 11.

Принцип действия предлагаемого источника плазмы протяженной конструкции основан на устранении возможности ухода катодных пятен на боковую, нерабочую, поверхность катода за счет установки дополнительного экрана, ориентированного вдоль катода и расположенного с внешней его стороны. Окно на боковой поверхности дополнительного экрана формирует на поверхности катода от поджигающего электрода до дугогасящего экрана прямолинейный участок рабочей поверхности, с которого и происходит эрозия плазмообразующего материала. Дополнительный экран выполнен в виде тонкостенного цилиндра из немагнитного материала, который электрически изолирован от катода. При горении дугового разряда экран приобретает плавающий потенциал.

Источник плазмы работает следующим образом: на поверхности катода 1 от поджигающего устройства 4 формируются катодные пятна, которые в магнитном поле петлевой обмотки 8 перемещаются к токовому вводу 6 по рабочей поверхности катода, сформированной дополнительным экраном 2. При попадании катодных пятен в зазор катод 1 - дугогасящий экран 5 происходит погасание вакуумно-дугового разряда. Интервал между поджигающими импульсами больше или равен среднестатистическому времени жизни катодного пятна на поверхности катода.

Осаждение заряженной компоненты плазменного потока осуществляется на обрабатываемом изделии 9, расположенном на пути ее движения. Скорость роста наносимого покрытия связана с параметрами плазменного потока следующим образом:

где j_i - плотность тока ионов на изделие; χ(E_i) и S(E_i) - коэффициенты аккомодации и распыления, зависящие от энергии ионов; е - заряд; ξ - среднее зарядовое число; n₀ - концентрация атомов в наносимом покрытии.

Распределение плотности ионного тока вдоль оси катода имеет равномерный характер, при этом неравномерность не превышает единиц процентов. Характер движения катодных пятен на поверхности катода 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 в серийном производстве для нанесения покрытий на сетки генераторных ламп. В этом случае неравномерность получаемого покрытия как по длине, так и по внешней стороне не превышала единиц процентов.

Литература
1. Мойжес Б.Я., Немчинский В.А. Эрозия и катодные струи вакуумной дуги. //ЖТФ. 1980. Т.50, 1. С.78-86.

2. Бейлис И.И., Любимов Г.А. О параметрах прикатодной области вакуумной дуги.//ТВТ. 1975, 6. С. 1137-1145.

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. 3. С.504-524.

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

6. Саксаганский Г.Л. Вакуумные электрофизичекие насосы. М.: Энергоатомиздат, 1988. 280 с.

6. Любимов Г.А., Раховский В.И. Катодное пятно вакуумной дуги. // УФИ. 1978. Т.125. 4. С.665-706.

7. Патент 2072642. Россия. МКИ³ Н 05 Н 1/50, С 23 С 14/35. Вакуумно-дуговой источник плазмы. //. Абрамов И.С., Быстров Ю.А., Лисенков А.А., Павлов Б. В. , Шаронов В.И. (Россия) - 94021421/25. Заявл. 07.06.94. Опубл. Бюл. 3. 27.01.97.

Изобретение относится к вакуумно-плазменной технологии. Технический результат - создание безаварийного вакуумно-дугового источника плазмы протяженной конструкции с прямолинейным характером движения катодных пятен по рабочей поверхности и надежным дугогашением. Вакуумно-дуговой источник плазмы состоит из протяженного цилиндрического катода, размещенного внутри тонкостенного цилиндрического дополнительного экрана, превышающего длину катода и имеющего вдоль оси катода окно, за счет которого по длине катода от поджигающего электрода до дугогасящего экрана формируется рабочая поверхность. Дугогасящий экран с зазором расположен у токового ввода по срезу цилиндрического катода. Вакуумная камера выполняет функции анода. Протяженная магнитная система выполнена в виде петлевой обмотки, которая расположена с внешней стороны камеры. Данное условие позволяет устранить влияние ее теплового воздействия в процессе работы на величину достигаемого вакуума 5•10^-5 мм рт.ст. В рабочем объеме расположено обрабатываемое изделие, установленное на электрически изолированном диске, вращение которого обеспечивает электродвигатель. 1 ил.

Вакуумно-дуговой источник плазмы, содержащий протяженный катод, дугогасящий экран, поджигающий электрод, анод и протяженную магнитную систему, выполненную таким образом, что составляющие вектора магнитного поля по длине рабочей зоны катода лежат в плоскости, перпендикулярной его оси, отличающийся тем, что протяженный катод снабжен дополнительным экраном, охватывающим поверхность катода, с образованием продольного окна, формирующего рабочую поверхность на катоде от поджигающего электрода до дугогасящего экрана, установленного у токового ввода по срезу катода.