Импульсный генератор электроэрозионной плазмы для нанесения алмазоподобных покрытий

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ПЛАЗМЫ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПОКРЫТИЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Зеленин Виктор Алексеевич Зеленковский Эдуард Михайлович Акула Игорь Петрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Импульсный генератор электроэрозионной плазмы для нанесения алмазоподобных покрытий, содержащий кольцевой нерасходуемый анод, расходуемый охлаждаемый графитовый катод, кольцевой экран и систему поджига, включающую эксцентрично расположенный по отношению к оси генератора кольцевой изолятор поджига, на конической поверхности которого выполнен пленочный токопровод, находящийся в локальном контакте с электродом поджига, и кольцевой нерасходуемый инициирующий электрод, находящийся в протяженном контакте с пленочным токопроводом, при этом кольцевой изолятор снабжен механизмом согласованного вращения изолятора вокруг собственной оси и вращения оси изолятора вокруг оси генератора, причем диаметр отверстия кольцевого изолятора превышает наружный диаметр электрода поджига, отличающийся тем,что система поджига расположена внутри кольцевого расходуемого графитового катода, а электрод поджига имеет форму цилиндра и расположен по оси генератора. 2. Импульсный генератор по п. 1, отличающийся тем, что рабочая поверхность кольцевого катода выполнена в виде, по крайней мере, двух внутренних конических поверхностей с углом при вершине, равным 60-90, и с расширением конусов в сторону выходного отверстия генератора.(56) 1. А.с.1168070. Устройство для возбуждения разряда в импульсном генераторе электроэрозионной плазмы / Э.М.Зеленковский, Ю.А.Перекатов, О.В.Селифанов, Э.И.Точицкий. - 15.11.1983. 2. А.с.1568874. Устройство для возбуждения разряда в импульсном генераторе электроэрозионной плазмы / О.В.Селифанов, Э.М.Зеленковский, В.П.Тарасик, В.М.Рощин, В.А.Куражев. - 21.06.1988. 3. А.с.1577675. Импульсный генератор электроэрозионной плазмы / В.В.Акулич,Э.М.Зеленковский, В.В.Кунавин, Самаль, О.В.Селифанов, А.И.Хворостина. - 17.10.1988. Предлагаемая полезная модель относится к области вакуумно-плазменной техники и технологии и может быть использована для получения высококачественных алмазоподобных тонких пленок различного функционального назначения осаждением из генерируемых в вакууме импульсных потоков углеродной плазмы. Известны импульсные генераторы электроэрозионной плазмы, основными рабочими элементами которых являются охлаждаемый цилиндрический графитовый катод с расходуемым торцом и расположенный соосно с ним кольцевой нерасходуемый анод. Инициирующую плазму, необходимую для возбуждения основного импульсного вакуумно-дугового разряда постоянного тока в межэлектродном промежутке катод-анод, получают за счет устройств возбуждения вспомогательных вакуумно-дуговых разрядов 1, 2. Использование в генераторе устройств возбуждения вспомогательных разрядов относительно небольшой энергоемкости позволяет повысить надежность возбуждения основного разряда и снизить неравномерность эрозии рабочей поверхности (торца) цилиндрического катода генератора. Получение углеродных пленок из плазмы импульсного катодно-дугового разряда основано на эффекте эрозии катода из графита при действии импульсного катодно-дугового разряда в вакууме, формировании направленного к подложке потока (факела) плазмы в ускорителях плазмы и конденсации ее на подложку. Основным недостатком указанных импульсных вакуумно-дуговых генераторов плазмы является малый ресурс их эффективной работы, что обусловлено малой площадью рабочей поверхности (торца) катода и его неравномерной эрозией (выработкой) при импульсных разрядах. В результате торцевая поверхность катода приобретает развитый макрорельеф, что приводит к снижению качества осаждаемых алмазоподобных пленок. Наиболее близким по технической сущности (прототипом предлагаемой полезной модели) является импульсный генератор электроэрозионной плазмы 3, содержащий кольцевой нерасходуемый анод, установленный соосно с ним и выполненный с возможностью осевого перемещения охлаждаемый катод, кольцевой экран и систему поджига (возбуждения разряда), включающую эксцентрично расположенный по отношению к оси генератора кольцевой изолятор поджига, на конической поверхности которого выполнен пленочный токопровод, находящийся в локальном контакте с электродом поджига, и кольцевой нерасходуемый инициирующий электрод, находящийся в протяженном контакте с пленочным токопроводом, при этом кольцевой изолятор снабжен механизмом согласованного вращения изолятора вокруг собственной оси и вращения оси изолятора вокруг оси генератора. В результате согласованного вращения изолятора происходит его обкатывание по поверхности электрода поджига. При этом точка локального электрического контакта нанесенного на коническую поверхность изолятора тонкопленочного проводника с расходуемым электродом поджига постоянно перемещается, что приводит к соответствующему перемещению зоны возбуждения вспомогательного импульсного дугового разряда. В свою очередь это приводит к перемещению зоны зарождения основного дугового разряда в межэлектродном промежутке катод-анод, что повышает равномерность выработки 2 63122010.06.30 рабочей поверхности катода и способствует повышению качества осаждаемых алмазоподобных пленок. Основным недостатком вышеописанного импульсного генератора электроэрозионной плазмы является малый ресурс его эффективной работы. Ограниченный ресурс эффективной работы генератора обусловлен электроэрозионной выработкой электрода поджига и малой площадью рабочей поверхности (торца) катода. При эксплуатации генератора со временем все меньшая часть плазмы, генерируемой в системе поджига, попадает на расходуемый торец катода, что приводит к снижению эффективности поджига основного дугового разряда в межэлектродном промежутке катоданод. Кроме того, наличие острых кромок у изолятора приводит к их преждевременному износу и выкрашиванию. В результате после 100-200 тысяч импульсов основного дугового разряда вероятность срабатывания генератора снижается до 90-95 . Кроме того, рабочая поверхность катода, а именно его торец, имеющий сравнительно небольшой диаметр (у аналогов и прототипа порядка 30-35 мм), вследствие неравномерного распределения дуговых разрядов приобретает сильно развитый рельеф. В результате изменяются направления распространения потоков плазмы и траектории движения микрочастиц от микропятен дугового разряда на рабочей поверхности катода. Это также снижает ресурс эффективной работы генератора плазмы. Задачей заявляемой полезной модели является повышение ресурса эффективной работы генератора плазмы. Поставленная задача решается тем, что в импульсном генераторе электроэрозионной плазмы для нанесения алмазоподобных покрытий, содержащем кольцевой нерасходуемый анод, расходуемый охлаждаемый графитовый катод, кольцевой экран и систему поджига,включающую эксцентрично расположенный по отношению к оси генератора кольцевой изолятор поджига, на конической поверхности которого выполнен пленочный токопровод,находящийся в локальном контакте с электродом поджига, и кольцевой нерасходуемый инициирующий электрод, находящийся в протяженном контакте с пленочным токопроводом, при этом кольцевой изолятор снабжен механизмом согласованного вращения изолятора вокруг собственной оси и вращения оси изолятора вокруг оси генератора, причем диаметр отверстия кольцевого изолятора превышает наружный диаметр электрода поджига система поджига расположена внутри кольцевого расходуемого графитового катода, а электрод поджига имеет форму цилиндра и расположен по оси генератора а также тем, что рабочая поверхность кольцевого катода выполнена в виде, по крайней мере, двух внутренних конических поверхностей с углом при вершине, равным 60-90, и с расширением конусов в сторону выходного отверстия генератора. Вышеописанное техническое решение обеспечивает при подаче от управляемого источника питания импульсов напряжения в цепь кольцевой нерасходуемый инициирующий электрод - тонкопленочный токопровод - электрод поджига локальное электровзрывное испарение материала тонкопленочного токопровода. Плазма от электровзрывного испарения материала тонкопленочного токопровода заполняет вакуумный промежуток между электродом поджига и кольцевым экраном, являющимся одновременно вспомогательным анодом, так как он подсоединен к положительному полюсу конденсаторной батареи, отрицательный полюс которой соединен с электродом поджига. В результате между электродом поджига и вспомогательным анодом (экраном) возникает инициирующий импульсный вакуумно-дуговой разряд, сопровождающийся получением инициирующей плазмы из материала электрода поджига. Факел инициирующей плазмы, распространяясь от цилиндрической поверхности электрода поджига в сторону кольцевого экрана, достигает рабочей конической поверхности катода и, в свою очередь, перемыкает вакуумный промежуток между электродом поджига и рабочей конической поверхностью катода. При этом на рабочей поверхности катода возникают локальные катодные пятна и между электродом поджига и рабочей конической 3 63122010.06.30 поверхностью катода происходит предварительный импульсный вакуумно-дуговой разряд, факел плазмы которого распространяется от рабочей конической поверхности катода в сторону оси генератора. При достижении плазмой анода происходит возбуждение основного импульсного вакуумно-дугового разряда между катодом и анодом генератора,которые связаны между собой электрической цепью, подключенной к основной конденсаторной батарее, отрицательный полюс которой соединен с катодом, а положительный - с анодом генератора. Зона возбуждения инициирующего импульсного дугового разряда перемещается от импульса к импульсу, что приводит к постоянному перемещению зоны возбуждения предварительного и основного разрядов на рабочей конической поверхности катода. При эрозионной выработке первой (и последующих) рабочей конической поверхности (после 400-600 тысяч основных разрядов) катод смещают вдоль оси генератора таким образом,чтобы факел дополнительного импульсного вакуумно-дугового разряда был направлен на следующую рабочую коническую поверхность катода. Выработавшая свой ресурс первая(и последующие) коническая поверхность катода перемещается при этом в закрытую экраном область генератора и не принимает участия в процессе последующего генерирования плазмы. Часть плазменного потока основного дугового разряда осаждается на изоляторе системы поджига, в результате происходит самовосстановление локально испаренного участка нанесенного на изолятор тонкопленочного проводника. Увеличение ресурса эффективной работы импульсного генератора электроэрозионной плазмы достигается как значительно большей (в 3,5-4 раза) общей площадью рабочих конических поверхностей кольцевого катода по сравнению с площадью торца цилиндрического катода у прототипа, так и более совершенной конструкцией системы поджига. Электроэрозионный износ боковой цилиндрической поверхности электрода поджига в предложенной конструкции системы поджига почти не оказывает влияния на направление факела инициирующей плазмы, распространяющегося по нормали к цилиндрической поверхности электрода поджига в направлении экрана (вспомогательного анода) и катода генератора и стабильно перемыкающей вакуумные промежутки между ними. Износа и выкрашивания (как у прототипа) изолятора вследствие отсутствия в предложенной конструкции изолятора острых кромок при эксплуатации генератора также не происходит. Кроме того, использование в предложенной конструкции генератора экрана в качестве вспомогательного анода, который развивает разряд на электроде поджига, позволяет повысить ресурс надежной работы генератора с вероятностью срабатывания основного дугового разряда не менее 95 с 200 тысяч до 800-1000 тысяч импульсов. Наличие перечисленных положительных факторов в их совокупности способствует решению поставленной задачи полезной модели. На чертеже (фиг.) схематично изображен предлагаемый в качестве полезной модели импульсный генератор электроэрозионной плазмы для нанесения алмазоподобных покрытий. Он содержит кольцевой нерасходуемый охлаждаемый анод 1, кольцевой расходуемый графитовый катод 2, установленный соосно с анодом и выполненный с возможностью перемещения вдоль оси генератора (показано стрелкой), и экран (вспомогательный анод) 3. Внутри кольцевого катода размещена система поджига (возбуждения разряда), включающая расположенный по оси генератора цилиндрический электрод поджига 4 из графита,эксцентрично расположенный по отношению к оси генератора кольцевой изолятор поджига 5, на конической поверхности которого, обращенной в сторону катода, выполнен пленочный токопровод 6, находящийся в локальном контакте с электродом поджига 4, и кольцевой нерасходуемый инициирующий электрод 7, находящийся в протяженном контакте с пленочным токопроводом 6. Кольцевой изолятор снабжен механизмом 8 согласованного вращения изолятора вокруг собственной оси и вращения оси изолятора вокруг оси генератора, причем диаметр отверстия кольцевого изолятора превышает наружный диаметр электрода поджига 4. Генератор плазмы работает следующим образом. После достижения в оснащенной генератором вакуумной камере остаточного давления 110-3 Па включают электронную 4 63122010.06.30 систему управления генератором (на чертеже не показана), которая запускает механизм 8 согласованного вращения изолятора 5 вокруг собственной оси и вращения оси изолятора вокруг оси генератора и по заданной программе отслеживает весь процесс нанесения алмазоподобного покрытия. При подаче от системы управления импульса напряжения в цепь кольцевой нерасходуемый инициирующий электрод 7 - тонкопленочный токопровод 6 - электрод поджига 4 происходит локальное электровзрывное испарение материала тонкопленочного токопровода 6. Плазма от электровзрывного испарения материала тонкопленочного токопровода 6 заполняет вакуумный промежуток между электродом поджига 4 и кольцевым экраном 3,который одновременно является вспомогательным анодом. В результате между электродом поджига 4 и вспомогательным анодом (экраном) 3 возникает инициирующий импульсный вакуумно-дуговой разряд, сопровождающийся получением инициирующей плазмы из материала электрода поджига 4 (графита). Факел плазмы инициирующего импульсного вакуумно-дугового разряда в свою очередь перемыкает вакуумный промежуток между электродом поджига 4 и установленной на ее пути первой рабочей конической поверхностью катода 2. В результате между ними возникает предварительный импульсный вакуумно-дуговой разряд, факел плазмы которого распространяется от рабочей конической поверхности катода 2 в сторону оси генератора. При достижении плазмой предварительного импульсного вакуумно-дугового разряда анода 1 происходит возбуждение основного импульсного вакуумно-дугового разряда между катодом 2 и анодом 1 генератора. Частота поступающих в систему поджига импульсов напряжения задается программой и изменяется в пределах от долей до десятков герц. Зона возбуждения инициирующего и вспомогательного импульсных дуговых разрядов перемещается от импульса к импульсу,что приводит к постоянному перемещению зоны возбуждения предварительного и основного разрядов на рабочей конической поверхности катода. При эрозионной выработке первой (и последующих) рабочей конической поверхности катод смещают вдоль оси генератора таким образом, чтобы факел инициирующего импульсного вакуумно-дугового разряда был направлен на следующую рабочую коническую поверхность катода. Выработавшая свой ресурс первая (и последующие) рабочая поверхность катода перемещается при этом в закрытую экраном область генератора и не принимает участия в процессе последующего генерирования плазмы. Угол при вершине рабочей конической поверхности катода в предложенной конструкции генератора не может быть меньше 60. При меньших углах часть факела плазмы основного импульсного вакуумно-дугового разряда, распространяющийся в телесном угле порядка 60 с осью, направленной по нормали к поверхности катода в точке дугового разряда, будет распространяться в сторону, противоположную выходному отверстию генератора, и отсекаться кольцевым экраном 3, что приведет к снижению скорости нанесения алмазоподобной пленки. При углах при вершине конической поверхности катода, больших 90, площади поверхностей ступенек, разделяющих смежные рабочие конические поверхности, будут превышать площади самих рабочих конических поверхностей. При этом неизбежно частичное экранирование факела плазмы основного импульсного вакуумно-дугового разряда этими ступеньками, что также приведет к снижению скорости нанесения алмазоподобной пленки. Пример использования генератора плазмы Предложенная конструкция импульсного генератора электродуговой плазмы прошла испытания в промышленной установке УВНИПА-1-001, предназначенной для нанесения алмазоподобных покрытий. Катоды с различными углами наклона конических рабочих поверхностей изготавливали из графита марки МПГ-6 чистотой 99,999 . В качестве подложек для нанесения 5 63122010.06.30 пленок использовали полированные полупроводниковые монокристаллические кремниевые пластины 100 мм с шероховатостью поверхности по показателю 0,021-0,024 мкм,которые поочередно устанавливали на подложкодержателе, расположенном у выходного отверстия четвертьтороидального сепаратора, входной фланец которого был пристыкован к выходному отверстию генератора плазмы. Алмазоподобные пленки наносили при остаточном давлении в вакуумной камере 510-3 Па при частоте следования импульсов разряда 3 Гц. Ток импульса достигал 2000 А. Количество импульсов регистрировалось счетным устройством. Время нанесения пленки составляло 15-20 мин, а их толщина - от 0,1 до 0,3 мкм. Влияние угла при вершине рабочей конической поверхности катода на скорость осаждения алмазоподобной пленки и ресурс эффективной работы генератора представлены в таблице. Влияние величины угла при вершине рабочей поверхности катода на скорость осаждения алмазоподобной пленки и ресурс эффективной работы генератора Угол при вершине рабочей конической поверхности катода,град 55 60 70 80 90 95 Прототип Ресурс эффективной Скорость осаждеработы (тыс. импульния пленки, нм/с сов срабатывания) 0,1 0,18 0,2 0,26 0,28 0,1 0,15 Из приведенных в таблице данных видно, что заявленное техническое решение позволяет повысить ресурс эффективной работы импульсного генератора электродуговой плазмы в 4-5 раз по сравнению с ресурсом источника-прототипа при сохранении приемлемой скорости осаждения алмазоподобных покрытий. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6