Вакуумно-дуговое устройство

 

Использование: для нанесения покрытий высокого качества в производстве электронных приборов, машиностроении, товаров народного потребления. Сущность вакуумно-дуговое устройство содержит аттенюатор, расположенный в его рабочем объеме на пути потока между испарителем и подложкодержателем. Аттенюатор состоит из набора плоско-параллельных пластин, плоскости которых параллельны оси устройства. Геометрические размеры аттенюатора с коэффициентом ослабления плазменного потока связаны следующим образом: L/H = V_пп/V_is·[ln·η] , где l - ширина пластин аттенюатора; h - расстояние между пластинами; V_пп - скорость плазменного потока; V_is - скорость ионного звука; η - коэффициент прозрачности аттенюатора. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области вакуумно-плазменной технологии и может быть применено для формирования покрытия на обрабатываемом изделии.

Широкое применение нашли вакуумно-дуговые источники плазмы с коаксиальной системой электродов и внешней магнитной системой стабилизации катодных пятен. Особенностью вакуумно-дугового разряда с интегрально-холодным катодом является наличие катодных пятен, генерирующих сверхзвуковые потоки сильно ионизованной металлической плазмы. В данном методе напыления к основным регулируемым технологическим параметрам следует отнести: ток разряда дуги I_разр, величину потенциала смещения подложки U_см и индукцию внешнего магнитного поля которые определяют физические параметры процесса напыления: среднюю энергию ионов E_i, плотность тока ионов j_i и температуру подложки Т_n.

Технологический режим напыления основан на физических процессах, протекающих при взаимодействии ионного потока с поверхностью обрабатываемого изделия. Характерный диапазон энергий ионов 10-10⁶эВ. В этом диапазоне технологические режимы определяются протеканием конкурирующих процессов: конденсации, распыления и внедрения ионов. Из условия баланса скорость роста наносимого покрытия U_р определяется выражением: v_р= j_i [κ(E_i)-S(E_i)] где j_i плотность ионного тока на поверхности подложки; ζ среднее зарядовое число ионов металлической плазмы; e элементарный заряд; n_o концентрация атомов материала в поверхностном слое наносимого покрытия; χ (E_i) коэффициент аккомодации ионов на поверхность; S(E_i) коэффициент самораспыления наносимого материала собственными ионами.

С ростом энергии частиц E_i коэффициент распыления S(E_i) растет, при этом скорость роста наносимого покрытия U_р уменьшается и становится равной 0 при χ(E_i)= S(E_i). При χ(E_i)>S(E_i) конденсация доминирует над распылением и наблюдается процесс формирования покрытий. При χ(E_i)<S(Ei<SUB>)

Мощность плазменного потока, выделяемая на обрабатываемом изделии Р_выд, практически целиком затрачивается на ее нагрев и в условиях вакуума отводится в основном излучением Р_изл: где ε интегральный коэффициент излучения;
τ постоянная Стефана-Больцмана;
T_n температура поверхности подложки;
j_i плотность ионного тока на поверхности подложки;
U_см напряжение отрицательного смещения.

Таким образом, процесс осаждения покрытия из плазмы наносимого материала на подложку из электропроводного материала может состоять из двух стадий. Первая стадия очистки металлическими ионами, основана на эффекте распыления загрязнений с обрабатываемой поверхности. С этой целью на подложку подается отрицательное напряжение смещения величиной порядка 1000 В. После завершения очистки напряжение смещения понижается примерно на порядок. Более точное значение определяется материалов покрытия и предъявляемыми к нему требованиями.

Особенностью вакуумно-дуговых генераторов плазмы является наличие критического (минимального) уровня разрядного тока, ниже которого вакуумная дуга в стационарном режиме существовать не может ( I_разр ≥ I_кр). Увеличение разрядного тока от минимального ведет к увеличению загрязненности плазменного потока капельной фракцией материала катода, что приводит к росту числа дефектов на формируемом покрытии и ухудшению его электрофизических свойств. В связи с этим в реальных технологических процессах ток разряда выбирается близким к критическому.

Поток ионов, поступающих на подложку, определяется исключительно эмиссионной способностью плазмы и слабо изменяется при изменении величины напряжения при переходе от режима очистки к режиму формирования покрытия. Таким образом, при ионной очистке выделяющаяся на подложке мощность существенно превышает ту, что приносится ионами при нанесении покрытия. Поэтому при обработке требуется, чтобы плотность плазменного потока не вызывала перегрева детали при напряжении смещения, характерном для очистки ( ≈ до -1000 В).

Особенностью осаждения ионов из плазмы вакуумно-дугового разряда на отрицательно заряженную поверхность является также невысокая электрическая прочность системы подложка плазма, что требует защиты цепи отрицательного смещения от пробоев. Нарушение электрической прочности системы связано с образованием на обрабатываемой поверхности катодных пятен, вызывающих эрозию материала и приводящих к браку обрабатываемых изделий. Вероятность образования катодных пятен на поверхности подложки зависит, в частности, от величины приложенного напряжения и плотности плазменного потока.

В настоящее время в литературе отсутствуют данные по вопросам изменения плотности плазменного потока. Известно, что снижение плотности плазмы происходит в устройствах сепарации капельной фракции и нейтральной компоненты. Однако устройства подобного типа способны обеспечить лишь незначительное изменение заряженной компоненты плазменного потока для режимов очистки и конденсации. Управление основано на изменении величины сопровождающего магнитного поля.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности признаков является устройство, выбранное за прототип. В данном устройства с целью уменьшения доли капельной фазы в объеме конденсата в холловском торцовом ускорителе плазмы с интегрально-холодным катодом и внешней магнитной системой стабилизации на пути плазменного потока по оси ускорителя устанавливалась газодинамическая заслонка, выполненная в форме плоского диска и имеющая потенциал анода. Газодинамическая заслонка представляет из себя ослабитель плазменного потока, воспринимающая поток, движущийся вдоль оси системы. На обрабатываемое изделие попадает та часть потока, которая движется в периферийной области: между краем заслонки и поверхностью анода. Максимум распределения плотности ионного тока в радиальном направлении расположен на оси системы. Плазменный поток движется в аксиально-симметричном расходящемся по мере удаления от рабочей поверхности катода магнитном поле, формируемом внешними соленоидами. Незначительная фокусировка плазменного потока к оси системы приводит к частичному заполнению зоны за заслонкой. Данный эффект ограничивает зону обработки изделий и тем самым сужает области практического применения. Так, например, для дозированной обработки внутренней цилиндрической полости требуется осесимметричное расположение катода с входным отверстием камерного типа, что невозможно осуществить в данном случае.

Для получения необходимой интенсивности плазменного потока в зоне напыления требуется согласовать размеры газодинамической заслонки с конструктивными размерами вакуумно-дугового источника плазмы, что может быть достигнуто исключительно на основе экспериментальных исследований. Кроме того, газодинамическая заслонка имеет потенциал анода, что сказывается на ее температурном режиме.

Цель изобретения создание вакуумно-дугового источника плазмы, обеспечивающего нанесение покрытия на изделие дозированным потоком плазмы. Это позволит повысить качество наносимого покрытия и расширить ассортимент обрабатываемых изделий.

Поставленная цель достигается за счет того, что в вакуумно-дуговом устройстве, содержащем испаритель, подложкодержатель, и между ними вводится аттенюатор плазменного потока, последний состоит из набора плоскопараллельных пластин, плоскости которых параллельны оси устройства. Геометрические размеры аттенюатора связаны следующим образом:
L/H=V_nn/V_is l_n ˙ , (1) где L ширина пластин аттенюатора;
Н расстояние между пластинами аттенюатора;
V_nn скорость плазменного потока;
V_is скорость ионного звука;
η коэффициент прозрачности аттенюатора.

Предлагаемое устройство принципиально отличается от известного. В известном устройстве аттенюатор выполнен в виде диска, расположенного на пути плазменного потока и имеющего потенциал анода. Осаждение заряженной компоненты плазменного потока осуществляется в периферийных областях, не перекрытых заслонкой. В заявляемом устройстве аттенюатор выполнен в виде системы плоско-параллельных пластин шириной L, установленных на расстоянии Н друг от друга. Система может находиться как под плавающим потенциалом, так и под потенциалом анода. Заряженная компонента плазменного потока, проникающая за объем плазменного аттенюатора, осаждается на обрабатываемых изделиях. С помощью приведенного соотношения (1) можно получить плазменный поток необходимой плотности, позволяющий обеспечить необходимый тепловой режим подложки как в процессе ионной очистки, так и в процессе формирования покрытия. Кроме того, удается устранить возникновение катодных пятен на обрабатываемом изделии.

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

На фиг. 1 показана конструкция вакуумно-дугового устройства; на фиг. 2 зависимость плотности ионного тока от напряжения смещения для различных системы ослабителя.

Вакуумно-дуговое устройство состоит из водоохлаждаемых анода 1 и цилиндрического катода 2, поджигающего электрода 3 и экрана 4. С внешней стороны анода 1 расположена магнитная система источника плазмы, включающая стабилизирующую 5 и фокусирующую 6 катушки. В рабочем объеме 7 на оси системы установлен аттенюатор 8 плазменного потока, состоящий из набора плоскопараллельных пластин. За аттенюатором 8 расположен подложкодержатель 9.

Принцип действия данного устройства заключается в следующем. При подаче постоянного напряжения на электроды системы (анод 1 плюс, катод 2 минус) и при подаче импульса на поджигающий электрод 3 на боковой поверхности катода 2 формируется катодное пятно, которое под воздействием магнитного поля соленоида 5 выводится на его рабочую поверхность и удерживается на ней. Поток эрозионной плазмы материала катода в сопровождающем магнитном поле направляется в вакуумную камеру 7, где на его пути установлен аттенюатор 8, представляющий из себя систему плоско-параллельных пластин и находящийся, например, под плавающим потенциалом. Заряженная компонента плазменного потока, двигаясь со скоростью порядка 10⁴ м/с, обладает высокой проникающей способностью, что и позволяет ей частично проходить сквозь объем аттенюатора при частичном осаждении на его пластинах.

Основным параметром, характеризующим заряженный компонент плазменного потока, является его плотность. Коэффициент прозрачности используемой системы определяется отношением ионного тока, измеренного за электродами, к току этих частиц на входе в аттенюатор.

Для описания взаимодействия плазменного потока с системой аттенюатора использовалось уравнение баланса ионной компоненты;
I_i(Z=L)=I_i(Z=0)- j_i(Z)dS где j_i(Z)=1/2e V_isn_e(Z) плотность тока в сечении Z.

Записанные соотношения пригодны для описания плазменного аттенюатора в случае, если выполняется условие:
LV_is/V_nn ≥ H/2. (2)
Тогда для коэффициента прозрачности η аттенюатора относительно потока ионов имеем:
η 1 j_i(z)dS
Если считать, что скорость плазменного потока после прохождения системы пластин не изменяется (изменяется лишь плотность потока), то концентрация ионов на выходе аттенюатора n_i(Z=L) будет соотноситься с их концентрацией на входе n_i(Z=O) следующим образом:
η
Анализ записанных соотношений для коэффициента ослабления аттенюатора дает:
η=exp- (3)
Это соотношение было проверено экспериментально. Для проведения соответствующих измерений использовались пластины с шириной 15 и 35 мм; расстояние между ними Н устанавливалось равным 5 и 10 мм. При этом условие (2) выполнялось.

Параметры плазменного потока определялись электростатическим зондом. С помощью зондовой диагностики было установлено, что используемое в расчетных формулах соотношение V_is/V_nn=0,2.

Вольт-амперные характеристики электростатического зонда с плоской приемной площадкой площадью 4 см² представлены на фиг. 2. Кривая 1 соответствует плазменному потоку без системы электродов аттенюатора. Кривая 2 получена при использовании аттенюатора с L= 15 мм и Н=5 мм. Кривая 3 L=35 мм, Н=10 мм. Кривая 4 L=35 мм, H=5 мм. Кривая 5 L=50 мм, H=5 мм.

Расчетные и экспериментальные значения коэффициента прозрачность сведены в таблицу. Цифровой индекс у экспериментальных значений η_эсоответствует номеру характеристики на фиг. 2 и определяет геометрию аттенюатора.

Разброс экспериментальных значений η_э связан с определением прозрачности при минимальном и максимальном напряжении смещения, задаваемом на зонд.

Сопоставление приведенных в таблице результатов свидетельствует о том, что предложенная математическая модель в целом удовлетворительно описывает взаимодействие потока плазмы с системой плоскопараллельных пластин и позволяет достоверно определить прозрачность аттенюатора для ионной компоненты вакуумно-дуговой плазмы металла.

Таким образом, аттенюатор позволяет при обработке изделий в широких пределах изменять плотность потока металлической плазмы. Использование формулы для расчета коэффициента ослабления позволяет сформировать дозированный плазменный поток, позволяющий согласовать тепловые режимы подложки как в процессе ионной очистки, так и в процессе формирования покрытия, и устранить образование катодных пятен на поверхности обрабатываемых изделий, за счет чего повышается качество наносимого покрытия и расширяется ассортимент обрабатываемых изделий.

Предлагаемая конструкция вакуумно-дугового устройства была опробована для нанесения упрочняющего покрытия из нитрида титана на сверла марки Р6М5. В этом случае предварительная очистка осуществлялась при высоком отрицательном смещении с использованием аттенюатора, а формирование покрытия осуществлялось при его отсутствии.

Формула изобретения

ВАКУУМНО-ДУГОВОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее подложкодержатель, испаритель и расположенный между ними аттенюатор плазменного потока, отличающееся тем, что аттенюатор выполнен в виде набора плоскопараллельных пластин, плоскости которых параллельны оси устройства, а геометрические размеры аттенюатора связаны следующим соотношением:

где L ширина пластин аттенюатора;
Н расстояние между пластинами аттенюатора;
V_п.п скорость плазменного потока;
V_is скорость ионного звука;
η-коэффициент прозрачности аттенюатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3