Способ осуществления тлеющего разряда и устройство для его реализации Российский патент 2017 года по МПК H05H1/24 

Изобретения относятся к способам и устройствам для осуществления тлеющего разряда. Осуществление тлеющего разряда может найти применение при обработке поверхности и нанесении покрытий на поверхности различных изделий в вакууме, а также может найти применение в машиностроении для поверхностной термообработки, напыления и упрочнения. Также для получения излучения, например для накачки лазеров.

Известен способ получения тлеющего разряда [1], заключающийся в пропускании постоянного тока через газ при давлении 0,1-10 Торр. Для того чтобы газовый промежуток между электродами пропускал постоянный ток, в газе должно поддерживаться ионизованное состояние, которое создается электрическим полем, существующим между катодом и анодом. Плазма такого разряда неоднородна и состоит из катодной области, положительного столба и прианодной области. Плазма положительного столба тлеющего разряда в газах и парах металлов при давлениях 0,1-70 Торр используется для создания лазеров, излучающих в различных диапазонах длин волн.

Недостаток [1] в том, что при давлениях порядка 10^-2 Торр существование тлеющего разряда затрудняется, а при 10^-3 Торр вовсе становится невозможным.

Известно устройство получения тлеющего разряда [2]. В диодной и магнетронной системах мишень (М) одновременно служит катодом (К) разряда, генерирующего атомы распыляемого вещества. Анодом (А) служит либо подложкодержатель, либо стенки газоразрядной камеры. Разряд с напряжением 0,5 кВ и выше и может поддерживаться при низком давлении. Этому требованию соответствует аномальный тлеющий разряд с питанием напряжением постоянного тока или высокой частоты в системе без магнитного поля и магнетронный разряд, где Маг - магнит, Пл - плазма.

Недостаток [2] в том, что при давлениях порядка 10 Торр и ниже существование тлеющего разряда затрудняется, а при 10^-3 Торр вовсе становится невозможным.

Для горения магнетронного разряда необходим магнетрон, являющийся сложным и дорогостоящим оборудованием, состоящим из мишени, корпуса, системы магнитов и канала водяного охлаждения. Также наличие водяного охлаждения приводит к периодическому образованию течи в газоразрядной камере, что снижает эффективность оборудования. Также на магнетроне периодически возникают пробои в виде дуг и микропробоев, нарушающие работу тлеющего разряда [3].

Наиболее близким к заявленному техническому решению, прототипом, являются способ и устройство осуществления тлеющего разряда в потоке газа [4]. Способ осуществления тлеющего разряда реализуется в газоразрядных камерах как при поперечном, так и при продольном, относительно среднего электрического тока, направлении потока газа. Скорость потока газа составляет V=10-300 м/с, его температура T=100-700 К, полное давление газовой смеси находится в пределах P=10-760 Торр. Для увеличения объемной однородности разряда применяется секционирование электродов (как правило, катодов) и снабжение их индивидуальными балластными сопротивлениями. Средняя плотность тока в объеме разряда j~3÷30 мА/см², плотность тока на поверхности катода j~0,1÷10 А/см² соответствует нормальной плотности тока тлеющего разряда.

Устройство для осуществления тлеющего разряда содержит анод и катод, представленный в виде катодных элементов подключенных через балластные сопротивления Rб, устройство Ф для формирования потока, патрубки для подачи потока газа и откачки, направленные в поперечном к оси анода и катода направлении, размещенные в газоразрядной камере. Также к газоразрядной камере подключена откачная вакуумная система для поддержания полного давления газовой смеси P=10-760 Торр. Межэлектродное расстояние обычно составляет в поперечном разряде h=1-10 см, в продольном h=5-100 см. За счет секционирования электродов размер зоны поперечного разряда вдоль потока может достигать L=100 см и более.

Недостатком [4] является невозможность обеспечения горения разряда при низких давлениях (от 10 Торр и ниже).

Технический результат в предлагаемых способе осуществления тлеющего разряда и устройстве для его реализации заключается в обеспечении горения тлеющего разряда при давлении от 10 Торр и ниже.

Технический результат в способе осуществления тлеющего разряда, включающем зажигание тлеющего разряда между анодом и катодом в газоразрядной камере с поперечным к направлению электрического поля потоком рабочего газа, достигается тем, что при зажигании тлеющего разряда устанавливают давление в газоразрядной камере от P=10 Торр и ниже, создают разные концентрации частиц газа в различных областях межэлектродного пространства, за счет организации сверхзвукового потока рабочего газа в заданной области межэлектродного зазора в поперечном к электрическому полю направлении при скорости потока газа более V=300 м/с.

Технический результат в устройстве осуществления тлеющего разряда, содержащем откачную вакуумную систему, подключенную к газоразрядной камере, с размещенными в ней анодом, катодом, патрубками для подачи и откачки рабочего газа, устройством для формирования потока рабочего газа, достигается тем, что содержит конфузор, а устройство для формирования потока рабочего газа выполнено как сверхзвуковое сопло, являющееся диффузором, причем конфузор и диффузор установлены в межэлектродном пространстве в газоразрядной камере соосно против друг друга таким образом, что ось конфузора и диффузора находится в поперечном к оси анода и катода направлении на заданном расстоянии относительно анода и катода, также имеется патрубок для откачки остаточного газа из газоразрядной камеры.

На фиг. 1 изображено устройство осуществления тлеющего разряда.

На фиг. 2 изображено устройство осуществления тлеющего разряда в работе, где схематично показаны тлеющий разряд при поперечном потоке газа.

На фиг. 3 схематично изображено взаимное расположение анода и катода с диффузором и конфузором.

Устройство для осуществления тлеющего разряда (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) содержит газоразрядную камеру 1 с патрубками подачи 2 рабочего газа и откачки 3 рабочего газа и газа из газоразрядной камеры 1 с размещенными в ней электродами - анодом 4 и катодом 5, источник питания постоянного тока 6, подключенный к аноду 4 и катоду 5, газоразрядная камера 1 имеет диффузор 7, выполненный в виде сверхзвукового сопла, и конфузор 8, причем диффузор 7 и конфузор 8 установлены в газоразрядной камере 1 соосно против друг друга.

Электроды - анод 4 и катод 5 размещены в газоразрядной камере 1 на расстоянии L=10÷400 мм друг от друга и более. Газоразрядная камера 1 выполнена любой формы, необходимой для реализации технологического процесса.

Патрубок подачи 2 рабочего газа соединен с диффузором 7, например, шлангом в газоразрядной камере 1. Патрубок подачи 2 рабочего газа соединен, например, шлангом вне газоразрядной камеры 1, через систему регулирования подачи и контроля расхода газа 9 с источником рабочего газа 10, например баллоном с газом.

Патрубки откачки 3 рабочего газа и газа из газоразрядной камеры 1 соединены с диффузором 8, например, шлангом в газоразрядной камере 1.

Патрубки откачки 3 рабочего газа и газа из газоразрядной камеры 1 соединены через каналы 11 с насосной системой 12, каналы 11 могут быть выполнены, например, в виде системы труб.

Системой изменения положения 13 изменяется положение диффузора 7 и конфузора 8 относительно межэлектродного пространства анода 4 и катода 5. Система изменения положения 13 может представлять собой конструкцию с закрепленными к рейке диффузором 7 и конфузором 8, а рейка, расположенная параллельно оси анода 4 и катода 5, перемещается за счет зубчатой передачи с шаговым двигателем.

Рассмотрим предлагаемый способ осуществления тлеющего разряда с помощью устройства, изображенного на фиг. 1-3.

Насосной системой 12 в газоразрядной камере 1 достигается давление от P=10 Торр и ниже. Включают источник питания постоянного тока 6 анода 4 и катода 5 в газоразрядной камере 1, для зажигания тлеющего разряда 14.

В межэлектродный зазор через диффузор 7 подают сверхзвуковой поток рабочего газа 15, например аргона.

При подаче сверхзвукового потока рабочего газа 15 концентрация пролетающих нейтральных частиц в межэлектродном пространстве увеличивается и тлеющий разряд 14 зажигается.

Рабочий газ в диффузор 7 подается из патрубка 2 через систему регулирования подачи и контроля расхода газа 9 и источник рабочего газа 10. Системой регулирования подачи и контроля расхода газа 9 можно обеспечить необходимый расход и скорость сверхзвукового потока рабочего газа 15 после диффузора 7.

Диффузор 7 и конфузор 8 расположены таким образом, чтобы сверхзвуковой поток рабочего газа 15 из диффузора 7 полностью попадал в конфузор 8. Расстояние между диффузором 7 и конфузором 8 ограничено размерами камеры 1. Сверхзвуковой поток рабочего газа 15 из конфузора 8 и газы из камеры 1 откачиваются через каналы 11 насосной системой 12.

Технологический процесс осуществляют при следующих параметрах тлеющего разряда: плотность тока разряда j=100÷500000 мА/м²; расстояние между электродами L=10÷400 мм, где j - плотность тока, мА/м², L - расстояние между электродами, мм, P - давление в камере 1. Например, при давлении P=0,5 Торр, при j=500 мА/м², L=50 мм. Через диффузор 7 в межэлектродный зазор подается поток рабочего газа 15, например аргон при сверхзвуковой скорости, например V=400 м/с.

Системой изменения положения 13 изменяется положение сверхзвукового потока рабочего газа 15 относительно межэлектродного пространства и регулируется заданное расстояние относительно анода 4 La и катода 5 Lк (Фиг. 3). La и Lк могут принимать любое положительное значение, удовлетворяющее условию:

La+Lк=L,

Изменяя расход, скорость и состав потока рабочего газа 15, можно изменять вольтамперную характеристику тлеющего разряда. Также появляется возможность управления распределением внутренних характеристик тлеющего разряда 14.

Пройдя через ось анода 4 и катода 5, сверхзвуковой поток рабочего газа 15 попадает в конфузор 8, где происходит восстановление потока, и далее поток уходит через каналы 11 в насосную систему 12.

В прикатодной области тлеющего разряда 14 в газоразрядной камере 1 осуществляются основные процессы, обеспечивающие существование самостоятельного разряда. Под действием сильного электрического поля электроны ускоряются и, пройдя астоново пространство, приобретают энергию, достаточную для интенсивного возбуждения атомов. Здесь ионизация атомов пренебрежимо мала, так как энергия электронов значительно меньше потенциала ионизации (в среднем 10-15 эВ) частиц. Проходя область первого катодного свечения, электроны ускоряются до энергии, достаточной для ионизации атомов газа. Анодная область газоразрядной камеры 1 характеризуется анодным падением напряжения, плотностью тока на электроде и определенной протяженностью.

Одним из необходимых условий существования тлеющего разряда является наличие всех приэлектродных зон. Известно, что с уменьшением давления длина прикатодных зон увеличивается, так как эти зоны, главным образом, определяются количеством ионизирующих столкновений электронов с нейтральными частицами. Если в первом приближении принять разряд холодным, то можно найти критическое давление, при котором еще возможен классический тлеющий разряд. При длине разрядного промежутка порядка 10 см и числа свободных пробегов порядка 10 получаем критическое значение длины свободного пробега λ=1 см. Такое значение λ соответствует давлению

Таким образом, при давлениях порядка 10^-2 Торр существование тлеющего разряда затрудняется, а при 10^-3 Торр вовсе становится невозможным.

Достижение технического результата возможно только при создании разных концентраций нейтральных атомов в разных областях межэлектродного пространства, при котором в прикатодной области концентрация частиц газа должна быть как в случае с магнетронным устройством [5], а в других зонах тлеющего разряда концентрация частиц газа должна быть достаточной для того, чтобы электрон испытал десятки столкновений.

Такие требования можно удовлетворить в том случае, если в межэлектродном пространстве создать сверхзвуковую, со скоростью выше 300 м/с, прокачку газа в направлении, перпендикулярном электрическому полю, а в остальной области межэлектродного пространства обеспечить давление от P=10 Торр и ниже.

Если принять, что длина катодных частей порядка 10λ, то все межэлектродное пространство состоит из прикатодных областей, необходимых для поддержания разряда. Этот разряд относится к нормальному тлеющему разряду с горизонтальной вольтамперной характеристикой.

При регулировке системой изменения положения 13 расположение диффузора 7 и конфузора 8 относительно межэлектродного пространства анода 4 и катода 5 также изменяются размеры приэлектродных зон. Приближая ось диффузора 7 и конфузора 8 к катоду 5, размеры прикатодных зон уменьшаются, а положительного столба тлеющего разряда 14 увеличиваются. Также изменяются распределение внутренних характеристик тлеющего разряда, таких как распределение потенциала, приведенная напряженность электрического поля E/N (E - напряженность электрического поля, N - концентрация частиц), распределение концентраций электронов и ионов, температура газа.

Технический результат в предлагаемых способе осуществления тлеющего разряда и устройстве для его реализации заключается в обеспечении горения тлеющего разряда при давлении от 10 Торр и ниже.

При осуществлении тлеющего разряда при давления 10^-3 Торр и ниже возможно распыление мишени или термообработка катода при сверхчистой атмосфере, что позволит получать новые, особо чистые материалы, соединения материалов и покрытия с новыми свойствами.

Дополнительным преимуществом по сравнению с прототипом является возможность управления распределением внутренних характеристик тлеющего разряда, таких как распределение потенциала, приведенная напряженность электрического поля E/N (E - напряженность электрического поля, N - концентрация частиц), распределение концентраций электронов и ионов, температура газа.

Использованные источники

1. Райзер Ю.П. Физика газового разряда: Учеб руководство: М., «Наука». Гл. ред. физ.-мат. лит, 1992, с. 252.

2. Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Кн 1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. - К.: Аверс, 2008. с. 22.

3. Берлин Е.В., Сейдман Л.А. Ионно-плазменные процессы в тонкопленочной технологии. Москва: Техносфера, 2010. с. 14.

4. Е.П. Велихов и др. Тлеющий разряд в потоке газа. Успехи физических наук. Том 137. Вып. 1. Май 1982 с. 118.

5. Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Кн 1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. - К.: Аверс, 2008. с. 22.

Изобретения относятся к способам и устройствам для осуществления тлеющего разряда и могут найти применение при обработке поверхности и нанесении покрытий на поверхности различных изделий в вакууме, в машиностроении для поверхностной термообработки, напыления и упрочнения, а также для получения излучения, например для накачки лазеров. Технический результат - обеспечение горения тлеющего разряда при давлении от 10 Торр и ниже. В способе осуществления тлеющего разряда, включающем зажигание тлеющего разряда между анодом и катодом в газоразрядной камере с поперечным к направлению электрического поля потоком рабочего газа, при зажигании тлеющего разряда устанавливают давление в газоразрядной камере от P=10 Торр и ниже, создают разные концентрации частиц газа в различных областях межэлектродного пространства, за счет организации сверхзвукового потока рабочего газа в заданной области межэлектродного зазора в поперечном к электрическому полю направлении при скорости потока газа более V=300 м/с. Устройство для осуществления тлеющего разряда содержит откачную вакуумную систему, подключенную к газоразрядной камере с размещенными в ней анодом, катодом, патрубками для подачи и откачки рабочего газа, устройством для формирования потока рабочего газа. Устройство содержит конфузор, а устройство для формирования потока рабочего газа выполнено как сверхзвуковое сопло, являющееся диффузором, причем конфузор и диффузор установлены в межэлектродном пространстве в газоразрядной камере соосно против друг друга таким образом, что ось конфузора и диффузора находится в поперечном к оси анода и катода направлении на заданном расстоянии относительно анода и катода, также имеется патрубок для откачки остаточного газа из газоразрядной камеры. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ осуществления тлеющего разряда, включающий зажигание тлеющего разряда между анодом и катодом в газоразрядной камере с поперечным к направлению электрического поля потоком рабочего газа, отличающийся тем, что при зажигании тлеющего разряда устанавливают давление в газоразрядной камере от Р=10 Торр и ниже, создают разные концентрации частиц газа в различных областях межэлектродного пространства, за счет организации сверхзвукового потока рабочего газа в заданной области межэлектродного зазора в поперечном к электрическому полю направлении при скорости потока газа более V=300 м/с.

2. Устройство для осуществления тлеющего разряда, содержащее откачную вакуумную систему, подключенную к газоразрядной камере, с размещенными в ней анодом, катодом, патрубками для подачи и откачки рабочего газа, устройством для формирования потока рабочего газа, отличающееся тем, что содержит конфузор, а устройство для формирования потока рабочего газа выполнено как сверхзвуковое сопло, являющееся диффузором, причем конфузор и диффузор установлены в межэлектродном пространстве в газоразрядной камере соосно против друг друга таким образом, что ось конфузора и диффузора находится в поперечном к оси анода и катода направлении на заданном расстоянии относительно анода и катода, также имеется патрубок для откачки остаточного газа из газоразрядной камеры.