Импульсный вакуумно-дуговой технологический источник плазмы

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Селифанов Сергей Олегович Селифанов Олег Владимирович Чекан Николай Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Импульсный вакуумно-дуговой технологический источник плазмы, содержащий охлаждаемый кольцевой нерасходуемый анод, установленный соосно с ним и выполненный с возможностью осевого перемещения охлаждаемый торцевой катод, представляющий собой тело вращения и имеющий подлежащий расходованию участок в виде усеченного конуса,большее основание которого обращено к аноду, и систему бесконтактного поджига, включающую расположенный между анодом и катодом соосный с ними кольцевой импульсный вакуумно-дуговой инжектор инициирующей плазмы, обращенный к катоду, и кольцевой электрод-экран, охватывающий с зазором торец катода, отличающийся тем, что катод имеет, по крайней мере, один дополнительный подлежащий расходованию участок упомянутой конфигурации, причем высота подлежащего расходованию участка катода не превышает 10 мм, а разница радиусов его оснований - 1,5 мм. 56692009.10.30 2. Импульсный вакуумно-дуговой технологический источник плазмы по п. 1, отличающийся тем, что подлежащие расходованию участки катода идентичны. 3. Импульсный вакуумно-дуговой технологический источник плазмы по п. 1 или 2,отличающийся тем, что катод имеет множество изподлежащих расходованию участков. 4. Импульсный вакуумно-дуговой технологический источник плазмы по п. 3, отличающийся тем, что значениемножества выбрано из интервала 520.(56) 1. Аксенов Д.С., Аксенов И.И., Стрельницкий В.Е. Источники чистой эрозионной плазмы в технике вакуумно-дугового осаждения покрытий. ОбзорСб. трудов междунар. харьковской нанотехнологической ассамблеи, Ассамблея-2006. Харьков. Украина. С. 106-113. 2. Маслов А.И., Дмитриев Г.К., Чистяков Ю.Д. Импульсный источник углеродной плазмы для технологических целей // Приборы и техника эксперимента. - 1985. -3. С. 146-149. 3. Патент РБ на изобретение 10555 С, 2008. 4. Патент РБ на полезную модель 4887, 2008. Предлагаемая полезная модель относится к области импульсной вакуумно-дуговой плазменной техники и технологии и может быть использована для получения высококачественных, в частности, алмазоподобных тонких пленок и покрытий различного функционального назначения. В настоящее время в тонкопленочной технологии широкое применение нашли вакуумно-дуговые источники плазмы, работающие в режимах вакуумных дуг постоянного тока. К сожалению, процесс генерирования плазмы при этом сопровождается эмиссией большого количества микрочастиц, наличие которых обычно крайне нежелательно, особенно при использовании генерируемой плазмы для получения тонких пленок и покрытий 1. Стремление подавить эмиссию микрочастиц или снизить ее до приемлемого уровня привело к необходимости реализации в технологических источниках плазмы импульсных вакуумно-дуговых разрядов со множеством катодных микропятен, что имеет место при протекании через катод источника импульсов тока, амплитуда которых составляет не менее 0,51,0 кА. Предпочтительным является применение кратковременных (не более 0,55,0 мсек.) сильноточных вакуумно-дуговых разрядов, возбуждаемых бесконтактным способом. В практике промышленного производства нашел применение импульсный вакуумнодуговой источник углеродной плазмы, предложенный Масловым А.И. 1, 2. Он содержит два соосных основных электрода, одним из которых является кольцевой нерасходуемый анод, а другим - охлаждаемый цилиндрический графитовый катод с расходуемым торцом,фокусирующий соленоид и расположенный между основными электродами соосно с ними кольцевой узел бесконтактного поджига, представляющий собой обращенный к катоду импульсный вакуумно-дуговой инжектор инициирующей плазмы. Такой источник плазмы может эксплуатироваться в вышеуказанных режимах кратковременных сильноточных импульсных вакуумно-дуговых разрядов, обеспечивая получение алмазоподобных тонкопленочных покрытий достаточно высокого качества. Основным недостатком источника является отсутствие каких-либо средств для стабилизации катодных микропятен разрядов, возбуждаемых на расходуемом торце катода. Уход же их на боковую поверхность катода приводит к довольно быстрому изменению геометрических размеров и формы его расходуемого торца. В результате после 80100 тысяч разрядных импульсов надежность поджига падает, а выработка катода оказывается 2 56692009.10.30 асимметричной. В итоге становится невозможным обеспечение стабильности скорости осаждения материала и надлежащей воспроизводимости структуры и свойств получаемых тонкопленочных покрытий. Известен также усовершенствованный технологический импульсный вакуумнодуговой источник плазмы 3, содержащий охлаждаемый кольцевой нерасходуемый анод,установленный соосно с ним, и выполненный с возможностью осевого перемещения охлаждаемый цилиндрический катод с расходуемым торцом, и систему бесконтактного поджига, включающую расположенный между анодом и катодом соосный с ними кольцевой импульсный вакуумно-дуговой инжектор инициирующей плазмы, обращенный к катоду,и кольцевой электрод, охватывающий с зазором катод около его расходуемого торца и совмещающий функции экрана как средства для стабилизации катодных микропятен на упомянутом расходуемом торце. Если величина зазора не превышает 2,5 мм, достигается удовлетворительная стабильность существования катодных микропятен на расходуемом торце катода. Предпочтительная величина зазора составляет 1,5-2,0 мм. Основным недостатком такого источника плазмы является постепенное уменьшение величины упомянутого зазора за счет имеющего место осаждения на внутренней части электрода-экрана некоторого количества материала из потоков генерируемой плазмы. Закорачивание зазора, возникающее при длительном функционировании источника плазмы, приводит к нарушению ритмичности генерации плазмы, появлению участков с асимметричной выработкой торца катода, а при дальнейшей эксплуатации в таких условиях - к отказам в работе, часто сопровождаемым значительными повреждениями в системе питания и управления. Чтобы не возникало таких серьезных последствий, как правило, после 120150 тысяч актов срабатывания источника, требуется проводить его профилактическое обслуживание, включающее, по крайней мере, очистку электрода-экрана. Наиболее близким по технической сущности (прототипом предлагаемой полезной модели) является импульсный вакуумно-дуговой технологический источник плазмы 4, содержащий охлаждаемый кольцевой нерасходуемый анод, установленный соосно с ним, и выполненный с возможностью осевого перемещения охлаждаемый торцевой катод, и систему бесконтактного поджига, включающую расположенный между анодом и катодом соосный с ними кольцевой импульсный вакуумно-дуговой инжектор инициирующей плазмы, обращенный к катоду, и кольцевой электрод-экран, охватывающий с зазором торец катода, при этом катод представляет собой тело вращения с подлежащим охлаждению нерасходуемьм основанием и подлежащим расходованию участком, выполненным в виде усеченного конуса, большее основание которого обращено к аноду, а величина угла уклона выбрана из интервала 5 30. Предпочтительный диаметр большего основания усеченного конуса (торца катода) составляет 30-50 мм, предпочтительная величина вышеупомянутого зазора - 1,5 мм. В процессе работы такого источника плазмы диаметр расходуемого торца катода постепенно уменьшается, отдаляя момент наступления закорачивания промежутка между электродом-экраном и катодом. Межпрофилактический ресурс функционирования источника плазмы с высокой степенью стабилизации катодных микропятен на расходуемом торце катода достигает вполне приемлемого на практике значения в 200-300 тысяч разрядных импульсов. Безусловно, после каждой такой наработки необходимо производить очистку электрода-экрана от наросшего на нем слоя осажденного материала, поскольку если продолжить работу без выполнения такого профилактического обслуживания, то невозможно предотвратить неизбежное закорачивание промежутка между электродомэкраном и катодом. Основным недостатком рассматриваемого источника плазмы является малый общий ресурс его функционирования до полного использования подлежащего расходованию материала катода. Обусловлено это следующим. При наработке источником плазмы каждых 3 56692009.10.30 200-300 тысяч импульсов расходуется 1,22,5 мм высоты подлежащего расходованию участка катода, при этом радиус катода из-за наличия конусности уменьшается на 0,10,2 мм при угле уклона 5 и на 0,71,4 мм при угле уклона 30. Поскольку величина зазора между катодом и электродом-экраном ограничена значением 2,5 мм, а исходное ее значение равно 1,5 мм, высота израсходованной части материала катода составляет максимум 2 мм при угле уклона 30 и 12 мм при угле уклона 5. В первом случае катод подлежит замене уже после наработки первых 200-300 тысяч импульсов, во втором случае эта процедура должна быть произведена после не более чем четырех-девятикратного профилактического обслуживания источника плазмы. С наиболее часто используемыми на практике катодами с начальным диаметром расходуемого торца 30-35 мм и углом уклона подлежащего расходованию конического участка 8-15 общая наработка источника плазмы до замены катода не превышает 750-900 тысяч импульсов. Задачей создания предлагаемой полезной модели является повышение ресурса функционирования импульсного вакуумно-дугового технологического источника плазмы с высокой эффективностью стабилизации катодных микропятен на расходуемом торце катода до полного использования его подлежащего расходованию материала. Поставленная задача достигается тем, что в известном импульсном вакуумно-дуговом технологическом источнике плазмы, содержащем охлаждаемый кольцевой нерасходуемый анод, установленный соосно с ним, и выполненный с возможностью осевого перемещения охлаждаемый торцевой катод, представляющий собой тело вращения и имеющий подлежащий расходованию участок в виде усеченного конуса, большее основание которого обращено к аноду, и систему бесконтактного поджига, включающую расположенный между анодом и катодом соосный с ними кольцевой импульсный вакуумно-дуговой инжектор инициирующей плазмы, обращенный к катоду, и кольцевой электрод-экран, охватывающий с зазором торец катода катод имеет, по крайней мере, один дополнительный подлежащий расходованию участок упомянутой конфигурации, причем высота подлежащего расходованию участка катода не превышает 10 мм, а разница радиусов его основании - 1,5 мм. Другое отличие предлагаемого импульсного вакуумно-дугового технологического источника плазмы заключается в том, что подлежащие расходованию участки катода идентичны. Отличием предлагаемого импульсного вакуумно-дугового технологического источника плазмы является также то, что катод имеет множество изподлежащих расходованию участков. Еще одно отличие предлагаемого импульсного вакуумно-дугового технологического источника плазмы заключается в том, что значениемножества выбрано из интервала 520. Отсутствие научно-технических публикаций, касающихся вышеуказанных обличительных признаков импульсного вакуумно-дугового технологического источника плазмы,подтверждает новизну предлагаемой полезной модели. Признать же обличительные признаки существенными позволяет наличие ряда нижеприведенных положительных факторов, способствующих достижению цели ее создания. Так, например, благодаря тому, что катод имеет несколько подлежащих расходованию участков, каждый из которых выполнен в виде усеченного конуса, большее основание которого обращено к аноду, а высота и разница радиусов его оснований не превышает, соответственно, 10 мм и 1,5 мм, удается гарантированно обеспечить наличие высокой эффективности удержания катодных микропятен на торце катода и увеличить ресурс функционирования источника плазмы до полного использования подлежащего расходованию материала катода, причем, если катод имеет идентичные подлежащие расходованию участки, условия генерирования плазмы при расходовании каждого последующего участка одинаковы, наличие же множества изподлежащих расходованию участков 4 56692009.10.30 обеспечивает увеличение общего ресурса источника плазмы враз. Выбор значенияиз интервала 520 позволяет иметь высоту расходуемой части катода не менее 45-50 мм, а этого вполне достаточно для того, чтобы исключить необходимость очень частой замены катодов, что характерно для источника-прототипа. На чертеже схематично изображен предлагаемый в качестве полезной модели импульсный вакуумно-дуговой технологический источник плазмы. Источник плазмы имеет два основных электрода - кольцевой анод 1 и торцевой катод 2. Катод 2 представляет собой тело вращения, установлен соосно с анодом 1, выполнен с возможностью осевого перемещения (показано стрелками) и имеет подлежащее охлаждению нерасходуемое основание 3 и несколько подлежащих расходованию участков 41, 42,43 и т.д. Соответствующие им торцы 51, 52, 53 и т.д. обращены к кольцевому аноду 1 и служат для получения плазмы из материала катода 2. Кольцевой анод 1 является нерасходуемым электродом и предназначен для формирования импульсных плазменных потоков,истекающих через его отверстие 6. Оба основных электрода являются охлаждаемыми, по крайней мере, косвенно. Источник плазмы содержит также систему бесконтактного поджига 7 импульсных вакуумно-дуговых разрядов. Она может быть полностью заимствована из патентов РБ 10555 или 9264. Система поджига включает расположенный между анодом 1 и катодом 2 соосный с ними кольцевой импульсный вакуумно-дуговой инжектор инициирующей плазмы 8, обращенный к катоду 2, и кольцевой электрод-экран 9, охватывающий катод 2 с зазором 10, величина которого составляет 1,5 мм. Предпочтительным является достаточно простой катод, имеющий идентичные подлежащие расходованию участки. Количество подлежащих расходованию участков представляет собой множество изэлементов при значении , выбранном из интервала 520. Материалом катода 2 могут быть графит, композиция графит-металл, в частности графит-медь,графит-серебро, графит-никель, графит-хром, а также некоторые металлы и сплавы. Перед началом работы источника плазмы торец 51 первого подлежащего расходованию участка 41 устанавливают вровень или чуть ниже (на 0,5-2,0 мм) относительно торца электрода-экрана 9. Работа предлагаемого источника плазмы во многом аналогична работе источника прототипа и осуществляется следующим образом. Управляемый импульсный источник питания с частотой, обеспечивающей достижение необходимой производительности технологического процесса, подает импульсы напряжения на основной вакуумный разрядный промежуток анод 1 - катод 2 источника плазмы и синхронно импульсы напряжения на систему бесконтактного поджига 7. Импульсный инжектор инициирующей плазмы 8 срабатывает, инжектируя полученную плазму в сторону торца 51 катода 2, причем под воздействием кольцевого электродаэкрана 9 формируется плотный плазменный сгусток, при достижении которым катода 2 на нем возбуждается вакуумно-дуговой поджигающий разряд, неизбежно приводящий к пробою основного разрядного промежутка катод 2 - анод 1 источника плазмы и установлению в нем основного импульсного вакуумно-дугового разряда со множеством катодных микропятен на расходуемом торце катода 2. При этом электрод-экран 9 стабилизирует горение каждого импульсного вакуумно-дугового разряда на торце катода 2. В катодных микропятнах разряда генерируется плазма из его материала. Она истекает в объем вакуумной камеры (не показана) через отверстие 6 в аноде 1 и используется для нанесения тонких пленок и покрытий различного функционального назначения или для каких-нибудь иных технологических целей. По мере расходования материала подлежащего расходованию участка 41 зазор 10 между ним и электродом-экраном 9 стремится к увеличению. В то же время определенная доля израсходованного материала осаждается из плазмы разряда на внутренней части электрода-экрана 9. Во избежание закорачивания упомянутого зазора через каждые 200300 тысяч разрядных импульсов осуществляют профилактическое обслуживание источ 5 56692009.10.30 ника плазмы, очищая электрод-экран 9 от осажденного на нем материала. После этого за счет осевого перемещения катода его торец устанавливают в исходное положение. В случае полного расходования материала участка 41 в работу вступает следующий участок 42 с расходуемым торцем 52 и т.д. до последнего, причем после расходования материала каждого участка геометрия зазора 10 между катодом 2 и электродом-экраном 9 восстанавливается в пределах заданного первоначального значения. При одном и том же материале катода ресурс работы предлагаемого импульсного вакуумно-дугового технологического источника плазмы до полного расходования материала катода и его замены на новый составляет несколько млн. импульсов. Предлагаемый источник плазмы может быть использован для модернизации промышленных установок УВНИПА 1-001 и УВНИПА 1-002 для нанесения износостойких и трибологических покрытий (производитель г. Калининград, Россия) или в других вакуумно-плазменных установках технологического назначения как отечественного производства, например ВДУ-СИ(производитель СЗОС), так и производства других стран СНГ и стран дольнего зарубежья. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6