ВАКУУМНОЕ ЭЛЕКТРОДУГОВОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2007 года по МПК C23C14/32 

Изобретение относится к вакуумно-плазменной технике и предназначено для нанесения высококачественных покрытий, не содержащих макрочастиц и капель материала катода. Оно может быть использовано в машиностроении, инструментальной, электронной, оптической и других отраслях промышленности для модификации поверхностей материалов путем воздействия на них потоками электронов, ионов металлов и газов, а также для нанесения покрытий на детали машин и оборудования.

Плазменные вакуумные установки, использующие электродуговой разряд для испарения материалов, широко применяются в технологических процессах нанесения покрытий различного назначения. Основное преимущество этих процессов состоит в возможности формирования слоев из огромного разнообразия материалов и их соединений, в том числе и таких, которые не могут быть получены другими способами. Особенно высокими свойствами обладают покрытия, осажденные из фильтрованной плазмы, не содержащей капель или осколков материала катода. Только с применением плазменных фильтров можно получить прозрачные окислы, гладкие, беспористые алмазоподобные пленки и т.д.

Известно вакуумное электродуговое устройство [1] с криволинейным плазменным каналом, обеспечивающим очистку плазмы, и содержащее источник плазмы, имеющий катод и анод с фокусирующей электромагнитной катушкой, который присоединен к плазмоводу. Плазмовод выполнен в виде четверти тора и охвачен отклоняющими кольцевыми электромагнитными катушками, создающими внутри его криволинейное магнитное поле. Выходное отверстие плазмовода охвачено выходной электромагнитной катушкой и находится вне зоны прямой видимости с поверхности катода. Поток плазмы, генерируемый электродуговым разрядом, попадает в тороидальное магнитное поле плазмовода. Двигаясь в этом поле, плазменный поток осуществляет поворот на 90° и через выходное отверстие попадает на изделия, расположенные в вакуумной камере, присоединенной к плазмоводу. Заряженные компоненты плазмы - электроны и ионы - транспортируются к выходу плазмовода и осаждаются на изделиях, а тяжелые и слабо заряженные пары и макрочастицы движутся практически прямолинейно и попадают на стенки плазмовода, где задерживаются с помощью различного рода ребер и ловушек. Максимальная пропускаемость фильтра наблюдается при подаче на корпус плазмовода положительного потенциала величиной около 18В относительно анода источника плазмы [1-2]. Благодаря подаче потенциала в плазмоводе появляется дополнительное радиальное электрическое поле, отталкивающее положительно заряженные ионы от стенки плазмовода, куда они стремятся под действием центробежной силы. Тем не менее, потери плазмы в таком фильтре велики. Ионный ток на выходе тороидального плазмовода, как правило, не превышает 1% от тока дугового разряда, тогда как вблизи катода ионный ток составляет 8-10% от тока дуги.

Известно другое вакуумное электродуговое устройство с криволинейными плазменными каналами для нанесения покрытий [3], являющееся прототипом предлагаемого изобретения. Оно содержит источник плазмы, имеющий катод и анод с фокусирующей электромагнитной катушкой, присоединенный к плазмоводу, который может быть охвачен одной или несколькими отклоняющими электромагнитными катушками. Выходное отверстие плазмовода охвачено выходной электромагнитной катушкой и находится вне зоны прямой видимости с поверхности катода. Плазмовод имеет форму параллелепипеда. В одном из вариантов этого устройства криволинейное магнитное поле создается фокусирующей катушкой источника плазмы, катушкой, охватывающей выходное отверстие плазмовода и прямоугольными катушками, одна из которых охватывает параллелепипед диагонально, а остальные размещены на гранях параллелепипеда. На выходе такого фильтра ионный ток значительно выше и достигает 2-3% от тока дуги. Однако эта величина в 2-2,5 раза ниже значения ионного тока, измеряемого на выходе прямолинейного плазмовода, имеющего такие же сечение и длину [4].

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение ионного тока на выходе плазмовода за счет повышения коэффициента пропускания криволинейного плазменного фильтра, что позволит повысить производительность напыления

Задача решается путем оптимальной ориентации отклоняющих электромагнитных катушек вакуумного электродугового устройства, что дает возможность более эффективно и с меньшими потерями транспортировать поток плазмы к выходному отверстию устройства.

Предлагаемое вакуумное электродуговое устройство, как и устройство, принятое в качестве прототипа, содержит источник плазмы, имеющий катод и анод с фокусирующей электромагнитной катушкой, присоединенный к плазмоводу, который охвачен не менее чем тремя отклоняющими электромагнитными катушками, первая из которых охватывает входное отверстие плазмовода, вторая охватывает плазмовод по диагонали, а третья - выходное отверстие плазмовода. Но, в отличие от прототипа, каждая отклоняющая электромагнитная катушка выполнена с возможностью поворота вокруг пересекающего ее радиус-вектора кривизны плазменного канала как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. Причем первая отклоняющая электромагнитная катушка, охватывающая входное отверстие плазмовода, выполнена с возможностью поворота относительно плоскости этого отверстия на 10-40 градусов, диагональная отклоняющая электромагнитная катушка, охватывающая плазмовод по диагонали, - с возможностью поворота относительно его поперечного сечения в месте охвата на 5-30 градусов, а выходная отклоняющая электромагнитная катушка - с возможностью поворота относительно плоскости выходного отверстия на 3-15 градусов. Все катушки поворачивают против часовой стрелки, если направление магнитного поля внутри канала совпадает с направлением движения плазмы, а точка наблюдения находится на продолжении радиус-вектора кривизны плазменного канала с внешней стороны витков катушек. Если же направление магнитного поля внутри канала противоположно направлению движения плазмы, то все катушки поворачивают по часовой стрелке. Кроме того, по обе стороны от диагональной отклоняющей электромагнитной катушки могут быть установлены дополнительные отклоняющие электромагнитные катушки, выполненные также с возможностью поворота на промежуточные углы, таким образом, чтобы угол поворота отклоняющих электромагнитных катушек от первой до выходной монотонно уменьшался.

Таким образом, отличительными признаками заявляемого изобретения, которые позволяют признать его соответствующим критериям "новизна" и "изобретательский уровень", являются:

- выполнение каждой отклоняющей электромагнитной катушки, охватывающей плазмовод, с возможностью поворота вокруг пересекающего ее радиус-вектора кривизны плазменного канала как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки таким образом, чтобы угол поворота отклоняющих электромагнитных катушек от первой до выходной монотонно уменьшался;

- выполнение первой отклоняющей электромагнитной катушки, охватывающей входное отверстие плазмовода, с возможностью поворота относительно плоскости этого отверстия на 10-40 градусов;

- выполнение диагональной отклоняющей электромагнитной катушки, охватывающей плазмовод по диагонали, с возможностью поворота относительно его поперечного сечения в месте охвата на 5-30 градусов;

- выполнение выходной отклоняющей электромагнитной катушки с возможностью поворота относительно плоскости выходного отверстия на 3-15 градусов;

- наличие дополнительных отклоняющих электромагнитных катушек, установленных по обе стороны от диагональной, выполненных также с возможностью поворота на промежуточные углы;

- выполнение поворота всех отклоняющих электромагнитных катушек против часовой стрелки, если направление магнитного поля внутри канала совпадает с направлением движения плазмы, а точка наблюдения находится на продолжении радиус-вектора кривизны плазменного канала с внешней стороны витков катушек;

- выполнение поворота всех отклоняющих электромагнитных катушек по часовой стрелке, если направление магнитного поля внутри канала противоположно направлению движения плазмы, а точка наблюдения находится на продолжении радиус-вектора кривизны плазменного канала с внешней стороны витков катушек.

Благодаря перечисленным новым признакам ионный ток на выходе фильтра увеличивается в 1,5-1,7 раза и достигает 4-5% от тока дугового разряда.

Рассмотрим, каким образом особенности патентуемого устройства позволяют увеличить его пропускную способность.

В работах [5-8] установлено, что в начале криволинейной траектории от основного потока плазмы, распространяющегося вдоль силовых линий криволинейного магнитного поля, отрывается интенсивный вторичный поток, который движется перпендикулярно основному в направлении векторного произведения В×R, (В - вектор напряженности магнитного поля в плазмоводе, a R - радиус-вектор магнитной силовой линии). Например, если плазма движется вниз и от наблюдателя, а направление магнитного поля совпадает с направлением движения плазмы, то вторичный поток движется на левую стенку плазмовода. Этот вторичный поток увеличивается с ростом положительного потенциала, подаваемого на корпус плазмовода, и является главной причиной повышенных потерь плазмы в криволинейном фильтре по сравнению с прямым. Впервые выявлено, что поворот отклоняющих электромагнитных катушек вокруг пересекающего их радиус-вектора кривизны плазменного канала приводит к отклонению вторичного потока от боковой стенки. При этом отклоняется и основной поток, движущийся вдоль силовых линий магнитного поля, однако если ближайшая к нему боковая стенка (правая) достаточно удалена, а выходное отверстие не слишком мало, что обычно имеет место в плазмоводах, имеющих форму параллелепипеда, то основной поток достигает выхода. Поскольку угол отклонения вторичного потока от основного и его интенсивность максимальны в начале поворотного участка и уменьшаются на последующих участках траектории, то угол поворота катушек также уменьшается по мере приближения к выходному отверстию. Оптимальный угол поворота катушек подбирается экспериментально в зависимости от типа транспортируемой плазмы, радиуса плазменного канала и напряженности магнитного поля.

Таким образом, предлагаемая ориентация отклоняющих катушек позволяет повысить коэффициент пропускания криволинейного плазменного фильтра.

Сущность изобретения поясняется чертежом,на котором показан вариант устройства с тремя отклоняющими катушками. Устройство содержит электродуговой источник плазмы, выполненный в виде катода 1 и анода 2, окруженного фокусирующей электромагнитной катушкой 3. Электродуговой источник плазмы присоединен к плазмоводу 4. Плазмовод 4 охвачен отклоняющими электромагнитными катушками 5, 6 и 7, выполненными с возможностью поворота вокруг пересекающего их радиус-вектора кривизны плазменного канала R как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. Радиус-вектор R обозначает и траекторию (показанную пунктиром) наиболее интенсивной части плазменного потока от катода 1 к выходному отверстию 8. Отклоняющая электромагнитная катушка 5, охватывающая входное отверстие 3 плазмовода 4, повернута относительно плоскости этого отверстия на 10-40 градусов, диагональная отклоняющая электромагнитная катушка 6, охватывающая середину плазмовода, повернута относительно поперечного сечения плазмовода в месте охвата на 5-30 градусов, а выходная отклоняющая электромагнитная катушка 7 повернута относительно плоскости выходного отверстия плазмовода на 3-15 градусов. На фиг.1 изображен вариант, когда направление магнитного поля В внутри плазменного канала совпадает с направлением движения плазмы, поэтому все отклоняющие электромагнитные катушки повернуты против часовой стрелки относительно точки наблюдения, находящейся на продолжении радиус-вектора R с внешней стороны витков катушек. Против часовой стрелки отклоняющие электромагнитные катушки поворачивают в том случае, если направление магнитного поля В внутри плазменного канала совпадает с направлением движения плазмы. При установке дополнительных отклоняющих электромагнитных катушек по обе стороны от диагональной их поворачивают на промежуточные углы относительно плоскости поперечного сечения плазмовода в месте их расположения таким образом, чтобы угол поворота всех отклоняющих электромагнитных катушек от первой до выходной монотонно уменьшался.

Устройство работает следующим образом.

1. В плазмоводе 4 и присоединенной к нему вакуумной камере с обрабатываемыми изделиями (не показаны) создают вакуум около 10^-3 Па. Затем включают электродуговой источник плазмы и подают ток в катушки 3, 5, 6, 7. Плазма, генерируемая источником, фокусируется магнитным полем катушки 3 и входит в криволинейный плазменный канал, формируемый в плазмоводе 4 катушками 5, 6 и 7. В начале криволинейного участка траектории плазменный поток разделяется на три потока [6-8]. Основной поток распространяется вдоль магнитных силовых линий и достигает выходного отверстия 8 плазмовода 4. Радиальный поток, вызванный центробежной силой, имеет составляющую скорости вдоль радиус-вектора R. Он попадает на нижнюю и заднюю стенки плазмовода, пересекаемые продолжением радиус-вектора R. Под действием центробежной силы ионная компонента плазмы смещается относительно электронной, что приводит к появлению электрического поля поляризации Е, направленного противоположно радиус-вектору R. В этом поле происходит электрический дрейф электронов со скоростью

совпадающий по направлению с векторным произведением В×R. в результате этого дрейфа появляется дополнительная компонента поля поляризации, под действием которой ионы движутся также в направлении В×R. Если магнитное поле направлено вдоль потока плазмы, как на фиг.1, то этот дрейфовый поток движется на левую стенку плазмовода. Подача положительного потенциала на корпус плазмовода 4 приводит к отталкиванию ионов, движущихся вдоль R к задней и нижней стенкам. В результате радиальный поток распределяется между основным, движущимся к выходному отверстию, и дрейфовым, направленным к левой стенке. Увеличение потенциала приводит к росту электрического поля Е и скорости электрического дрейфа (1). Как следствие, поток плазмы на левую стенку увеличивается, что при дальнейшем росте потенциала приводит к уменьшению основного потока. Поворачивая катушку 5, можно уменьшить угол между направлением движения дрейфового потока и осью плазменного канала. Дальнейший уход этого потока от оси компенсируется поворотом катушки 6, а вывод максимального потока плазмы через выходное отверстие 8 обеспечивается поворотом катушки 7.

Примеры

1. Синтез алмазоподобного покрытия.

Вакуумно-дуговой разряд возбуждается между графитовым катодом 1 и анодом 2. Ток разряда составляет 100 А. В сечении входного отверстия 3 плазмовода 4 регистрируется полный ионный ток 8 Ампер. Если отклоняющие катушки не повернуты относительно соответствующих сечений плазмовода, то на его выходе ток ионов углерода составляет 2,7-2,9 А. Если же катушка 5, охватывающая входное отверстие плазмовода, повернута относительно плоскости этого отверстия на 35 градусов, диагональная катушка 6 повернута относительно поперечного сечения плазмовода в месте охвата на 18 градусов, а выходная отклоняющая катушка 7 повернута относительно плоскости выходного отверстия на 8 градусов, то ток ионов углерода на выходе плазмовода достигает 5 А, что составляет 5% от тока дуги.

2. Нанесение молибденового покрытия.

Ток вакуумно-дугового разряда, возбуждаемого между молибденовым катодом 1 и анодом 2, составляет 140 А. В сечении входного отверстия 3 плазмовода 4 регистрируется полный ионный ток 9 А. Если отклоняющие катушки не повернуты относительно соответствующих сечений плазмовода, то на его выходе ток ионов молибдена составляет 3,8 А. Если же катушка 5, охватывающая входное отверстие плазмовода, повернута относительно плоскости этого отверстия на 25 градусов, диагональная катушка 6 повернута относительно плоскости поперечного сечения плазмовода в месте охвата на 12 градусов, а выходная катушка 7 повернута относительно плоскости выходного отверстия на 6 градусов, то ток ионов молибдена на выходе плазмовода составляет 5,8 А, т.е. достигает 4,1% от тока дуги.

Следует отметить, что выполнение отклоняющих электромагнитных катушек с возможностью поворота, в соответствии с предлагаемым изобретением, увеличивает коэффициент пропускания любых криволинейных плазменных фильтров - S-образных, в виде четверти тора, или изогнутых в разных плоскостях - однако наилучшие результаты достигаются в фильтрах с плазмоводом в форме параллелепипеда.

ЛИТЕРАТУРА

1. И.И.Аксенов и др. Транспортировка плазменных потоков в криволинейной плазмооптической системе. Физика плазмы, 1978, т.4, вып.6, с.756-763.

2. М.М.М.Bilek, Y.Yin and D.R.McKenzie. A study of filter transport mechanisms in filtered cathodic vacuum arcs. IEEE Trans. Plasma Science, 1996 vol.24, No.3, pp.1165-1173.

3. Патент США №5435900 от 25.07.95 С23С 14/22 (прототип).

4. J.Storer, J.E.Galvin and J.G.Brown. Transport of vacuum arc plasma through straight and curved magnetic ducts. J.Appl. Phys., 1998, vol.66, No.11, pp.5245-5251.

5. A.I.Timoshenko, B.A.Belous and V.E.Strel'nitskiy. Study on the passage of vacuum arc carbon plasma through curvilinear plasma guide. Proc. 4-th. Int. Conf. on Diamond Films and Related Materials, Kharkov, Ukraine, 1999, pp.159-163.

6. A.I.Timoshenko, V.S.Taran., A.N Turko, J.G. Chechel'nitskiy. Peculiarities of the vacuum arc plasma motion through curvilinear duct. Proc. of the 6-th International Conference "Vacuum Thechnologies and Equipment", Kharkov, 2003, pp.57-61.

7. A.I.Timoshenko, V.S.Taran, V.I.Tereshin, O.G.Chechel'nitskiy. Some features of vacuum arc plasma motion in a curvilinear magnetic field. Proc. of the XXIth International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. Yalta, Crimea, 2004, pp.24-27.

8. A.I.Timoshenko, V.S.Taran, V.I.Tereshin, O.G.Chechel'nitskiy. Spatial Distribution of the Vacuum Arc Plasma Fluxes in a Curvilinear Magnetic Duct. IEEE Transactions on Plasma Science, 2005, vol.33. Issue 5, Part:l, pp.1636-1640.

Изобретение относится к вакуумно- электродуговому устройству для нанесения высококачественных покрытий и может быть использовано в машиностроении, инструментальной, электронной, оптической и других отраслях промышленности для модификации поверхностей материалов. Устройство включает источник плазмы с фокусирующей электромагнитной катушкой (3), который присоединен к плазмоводу (4), охваченному отклоняющими электромагнитными катушками (ОЭК), выполненными с возможностью поворота вокруг пересекающего их радиус-вектора кривизны плазменного канала как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. ОЭК (5), охватывающая входное отверстие плазмовода (4), выполнена с возможностью поворота относительно плоскости этого отверстия на 10-40 градусов. Диагональная ОЭК (6) выполнена с возможностью поворота относительно поперечного сечения плазмовода в месте охвата на 5-30 градусов. Выходная катушка (7) выполнена с возможностью поворота относительно плоскости выходного отверстия на 3-15 градусов. Дополнительные ОЭК установлены по обе стороны от диагональной с возможностью поворота на промежуточные углы таким образом, чтобы угол поворота ОЭК от первой до выходной монотонно уменьшался. Использование устройства позволит повысить коэффициент пропускания криволинейного плазменного фильтра и увеличить ионный ток на выходе фильтра в 1,5-1,7 раза, т.е. до 4-5% от тока дугового разряда, что в конечном итоге повышает производительность напыления. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Вакуумное электродуговое устройство для нанесения покрытий, включающее источник плазмы с фокусирующей электромагнитной катушкой, который присоединен к плазмоводу с криволинейным плазменным каналом, охваченному отклоняющими электромагнитными катушками, отличающееся тем, что отклоняющие электромагнитные катушки выполнены с возможностью поворота вокруг пересекающего их радиус-вектора кривизны плазменного канала как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки, при этом отклоняющая электромагнитная катушка, охватывающая входное отверстие плазмовода выполнена с возможностью поворота относительно плоскости этого отверстия на 10-40°, диагональная отклоняющая электромагнитная катушка выполнена с возможностью поворота относительно поперечного сечения плазмовода в месте охвата на 5-30°, выходная отклоняющая катушка выполнена с возможностью поворота относительно плоскости выходного отверстия на 3-15°, причем в устройстве по обе стороны от диагональной отклоняющей электромагнитной катушки установлены дополнительные отклоняющие электромагнитные катушки с возможностью поворота на промежуточные углы таким образом, чтобы угол поворота всех отклоняющих электромагнитных катушек от первой до выходной монотонно уменьшался.2. Вакуумное электродуговое устройство по п.1, отличающееся тем, что все отклоняющие электромагнитные катушки повернуты вокруг пересекающего их радиус-вектора кривизны плазменного канала против часовой стрелки в случае, если направление магнитного поля внутри плазменного канала совпадает с направлением движения плазмы, а точка наблюдения находится на продолжении радиус-вектора кривизны плазменного канала с внешней стороны витков катушек.3. Вакуумное электродуговое устройство по п.1, отличающееся тем, что все отклоняющие электромагнитные катушки повернуты вокруг пересекающего их радиус-вектора кривизны плазменного канала по часовой стрелке, если направление магнитного поля внутри плазменного канала противоположно направлению движения плазмы.