Импульсный сильноточный технологический вакуумно-дуговой источник плазмы

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ИМПУЛЬСНЫЙ СИЛЬНОТОЧНЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ИСТОЧНИК ПЛАЗМЫ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Селифанов Сергей Олегович Селифанов Олег Владимирович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Импульсный сильноточный технологический вакуумно-дуговой источник плазмы,содержащий охлаждаемый кольцевой нерасходуемый анод, установленный соосно с ним и выполненный с возможностью осевого перемещения охлаждаемый цилиндрический катод с расходуемым торцом, основную конденсаторную батарею, положительный полюс которой соединен с анодом, а отрицательный - с катодом, вакуумно-дуговую систему бесконтактного поджига импульсных вакуумно-дуговых разрядов со множеством катодных микропятен на расходуемом торце катода и схему ее питания, включающую управляющий элемент, инициирующую, вспомогательную и дополнительную конденсаторные батареи,при этом система поджига содержит расположенный между анодом и катодом соосный с ними кольцевой импульсный вакуумно-дуговой инжектор инициирующей плазмы, ориентированный в сторону катода и оснащенный кольцевыми инициирующим и поджигающим электродами, разделенными кольцевым изолятором, внутренняя поверхность которого снабжена тонкопленочным токопроводом, и кольцевой электрод-экран, охватывающий с 14060 1 2011.02.28 зазором катод около его расходуемого торца, положительный полюс инициирующей конденсаторной батареи соединен с инициирующим электродом посредством управляющего элемента, а отрицательные полюса инициирующей и вспомогательной конденсаторных батарей и положительный полюс дополнительной конденсаторной батареи соединены с поджигающим электродом, отличающийся тем, что положительный полюс вспомогательной конденсаторной батареи присоединен к катоду, а отрицательный полюс дополнительной конденсаторной батареи - к электроду-экрану, причем электрод-экран выполнен с возможностью осевого перемещения и выполнен в виде быстросъемного элемента вакуумно-дуговой системы бесконтактного поджига. 2. Источник плазмы по п. 1, отличающийся тем, что электрод-экран и катод выполнены из разнородных материалов. Предлагаемое изобретение относится к области вакуумно-дуговой плазменной техники и технологии и может быть использовано для получения высококачественных тонких пленок и покрытий различного функционального назначения осаждением материалов из генерируемых в вакууме импульсных потоков плазмы. В настоящее время в тонкопленочной технологии широко применяются источники плазмы 1 на основе катодной формы вакуумно-дуговых разрядов. Обусловлено это чрезвычайно высокой адгезией получаемых тонких пленок и покрытий. К сожалению, плазма,традиционно генерируемая с использованием вакуумно-дуговых разрядов постоянного тока, содержит значительное количество микрочастиц, наличие которых в осажденном материале обычно крайне нежелательно. Стремление подавить эмиссию микрочастиц или снизить интенсивность этого процесса до приемлемого уровня привело к необходимости реализации в технологических источниках плазмы кратковременных (не более 0,55,0 мсек) импульсных вакуумно-дуговых разрядов со множеством катодных микропятен, что имеет место при протекании через катод источника токов, сила которых превышает 0,51,0 кА. Предпочтительным является применение кратковременных сильноточных вакуумнодуговых разрядов, возбуждаемых бесконтактным импульсным вакуумнодуговым способом. Известен импульсный источник углеродной плазмы для технологических целей 2. Он содержит два соосных основных электрода, одним из которых является кольцевой нерасходуемый графитовый анод, а другим - охлаждаемый цилиндрический графитовый катод с расходуемым торцом, импульсный накопитель энергии, соединенный с основными электродами и представляющий собой основную конденсаторную батарею,расположенный между основными электродами соосно с ними кольцевой узел бесконтактного импульсного вакуумно-дугового поджига, представляющий собой обращенный к катоду инжектор инициирующей плазмы, и управляемый импульсный блок поджига, включающий инициирующую конденсаторную батарею, предназначенную для питания узла поджига. Такой источник плазмы может эксплуатироваться в режимах многократноповторяемых сильноточных импульсных вакуумно-дуговых разрядов со множеством катодных микропятен. Основным недостатком источника является отсутствие каких-либо средств для стабилизации катодных микропятен на расходуемом торце катода. Наличие же их на боковой поверхности катода приводит к довольно быстрому изменению геометрических размеров и формы его расходуемого торца. В результате после 80100 тысяч актов поджига (срабатывания) источника плазмы надежность поджига падает, а диаграмма направленности потоков плазмы, генерируемой из материала катода, существенно изменяется. В итоге становится невозможным обеспечение стабильности скорости осаждения материала и надлежащей воспроизводимости, структуры и свойств получаемых тонких пленок и покрытий. 14060 1 2011.02.28 Наиболее близким по технической сущности (прототипом предлагаемого изобретения) является импульсный вакуумно-дуговой источник плазмы 3. Он содержит охлаждаемый кольцевой нерасходуемый анод, установленный соосно с ним и выполненный с возможностью осевого перемещения охлаждаемый цилиндрический катод с расходуемым торцом, основную конденсаторную батарею, положительный полюс которой соединен с анодом, а отрицательный - с катодом, вакуумно-дуговую систему бесконтактного поджига импульсных вакуумно-дуговых разрядов со множеством катодных микропятен на расходуемом торце катода и схему ее питания, включающую управляющий элемент, инициирующую, вспомогательную и дополнительную конденсаторные батареи. Система поджига содержит расположенный между анодом и катодом соосный с ними кольцевой импульсный вакуумно-дуговой инжектор инициирующей плазмы, ориентированный в сторону катода и оснащенный кольцевыми инициирующим и поджигающим электродами, разделенными кольцевым изолятором, внутренняя поверхность которого снабжена тонкопленочным токопроводом, и кольцевой электрод, охватывающий с зазором катод около его расходуемого торца и совмещающий функции экрана как средства для стабилизации катодных микропятен на расходуемом торце катода. Положительный полюс инициирующей конденсаторной батареи соединен с инициирующим электродом посредством управляющего элемента, отрицательные полюса инициирующей и вспомогательной конденсаторных батарей и положительный полюс дополнительной конденсаторной батареи соединены с поджигающим электродом, положительный полюс вспомогательной конденсаторной батареи присоединен к электроду-экрану, а отрицательный полюс дополнительной конденсаторной батареи - к катоду. Наличие в данном источнике плазмы вышеописанной вакуумно-дуговой системы бесконтактного поджига в сочетании с возможностью осевого перемещения катода обеспечивает в процессе работы источника плазмы возбуждение сильноточных импульсных вакуумно-дуговых разрядов на расходуемом торце катода в различных местах его торцевой поверхности, что способствует равномерности выработки последней. При величине зазора между электродом-экраном и катодом, равной 1,02,0 мм, достигается высокая эффективность стабилизации катодных микропятен на расходуемом торце катода. Основным недостатком источника-прототипа является постепенное уменьшение величины упомянутого зазора за счет имеющего место осаждения на электроде-экране части материала из потоков плазмы, генерируемых источником. Закорачивание зазора, возникающее при длительном функционировании источника плазмы приводит к значительным повреждениям, часто сопровождаемым выходом из строя блоков питания и управления. Чтобы избежать таких серьезных последствий обычно по прошествии 180200 тысяч актов срабатывания источника плазмы необходимо производить его профилактическое обслуживание, включающее, по крайней мере, очистку электрода-экрана, а возможно, и торцевание катода или их замену. Кроме того, источник-прототип позволяет генерировать импульсные потоки плазмы только из материала катода, что ограничивает его технологические возможности. Целью создания предлагаемого изобретения является увеличение межпрофилактического ресурса высоконадежного функционирования сильноточного технологического вакуумнодугового источника плазмы при одновременном расширении его технологических возможностей. Поставленная цель достигается тем, что в известном импульсном сильноточном вакуумно-дуговом источнике плазмы, содержащем охлаждаемый кольцевой нерасходуемый анод, установленный соосно с ним и выполненный с возможностью осевого перемещения охлаждаемый цилиндрический катод с расходуемым торцом, основную конденсаторную батарею, положительный полюс которой соединен с анодом, а отрицательный - с катодом,вакуумно-дуговую систему бесконтактного поджига импульсных вакуумно-дуговых разрядов со множеством катодных микропятен на расходуемом торце катода и схему ее питания,3 14060 1 2011.02.28 включающую управляющий элемент, инициирующую, вспомогательную и дополнительную конденсаторные батареи, при этом система поджига содержит расположенный между анодом и катодом соосный с ними кольцевой импульсный вакуумно-дуговой инжектор инициирующей плазмы, ориентированный в сторону катода и оснащенный кольцевыми инициирующим и поджигающим электродами, разделенными кольцевым изолятором,внутренняя поверхность которого снабжена тонкопленочным токопроводом, и кольцевой электрод-экран, охватывающий с зазором катод около его расходуемого торца, положительный полюс инициирующей конденсаторной батареи соединен с инициирующим электродом посредством управляющего элемента, а отрицательные полюса инициирующей и вспомогательной конденсаторных батарей и положительный полюс дополнительной конденсаторной батареи соединены с поджигающим электродом положительный полюс вспомогательной конденсаторной батареи присоединен к катоду, а отрицательный полюс дополнительной конденсаторной батареи - к электроду-экрану, причем электрод-экран выполнен с возможностью осевого перемещения и выполнен в виде быстросъемного элемента вакуумно-дуговой системы бесконтактного поджига. Другим отличием предлагаемого изобретения является то что, электрод-экран и катод выполнены из разнородных материалов. Отсутствие научно-технических публикаций, касающихся вышеуказанных отличительных признаков импульсного сильноточного технологического вакуумно-дугового источника плазмы, подтверждает новизну предлагаемого изобретения. Вышеописанное техническое решение обеспечивает при работе предлагаемого источника плазмы возникновение (после инициирующего) вспомогательного импульсного вакуумно-дугового разряда между поджигающим электродом и катодом, причем катод источника плазмы на этой стадии совмещает функции анода этого разряда, горение которого поддерживается за счет энергии, предварительно запасенной во вспомогательной конденсаторной батарее и сопровождается интенсификацией процесса получения инициирующей плазмы. Под действием бомбардировки электронами, извлекаемыми из плазмы разряда, происходит локальный разогрев материала катода в отдельных микровыступах,всегда имеющихся на расходуемом торце катода. В то же время инициирующая плазма перемыкает вакуумный промежуток, образованный электродом-экраном и поджигающим электродом. Поскольку эти электроды присоединены соответственно к отрицательному и положительному полюсам предварительно заряженной дополнительной конденсаторной батареи, в упомянутом промежутке возникает дополнительный импульсный вакуумнодуговой разряд, при горении которого на электроде-экране (кольцевом катоде этого разряда) появляются собственные катодные микропятна. Под их воздействием материал,осажденный на нем до этого, и материал самого электрода-экрана интенсивно испаряются, переходя в состояние плазмы. Наличие плазмы, генерируемой в дополнительном импульсном вакуумно-дуговом разряде, практически мгновенно перемыкающей вакуумный промежуток, образованный цилиндрическим катодом и кольцевым анодом источника плазмы, стимулирует процесс зарождения катодных микропятен на расходуемом торце цилиндрического катода в предварительно разогретых микровыступах, способных обеспечить термоэлектронную эмиссию и тем самым гарантировать повышение эффективности возбуждения основного импульсного вакуумно-дугового разряда между катодом и анодом источника, причем из-за наличия отмеченного выше процесса электродугового испарения материала в дополнительном импульсном вакуумно-дуговом разряде закорачивания зазора между электродом-экраном и катодом не происходит при достаточно длительном функционировании источника плазмы. Выполнение электрода-экрана с возможностью осевого перемещения позволяет сохранять при необходимости местоположение торца электрода-экрана или требуемый уровень его совмещения с расходуемым торцом катода, обеспечивая постоянство геометрии разрядных промежутков источника плазмы и соответственно стабильность условий, необходимых для высоконадежного поджига и равно 4 14060 1 2011.02.28 мерной выработки как торца цилиндрического катода, так и торца кольцевого электродаэкрана. Предпочтителен электрод-экран, который выполнен в виде быстросъемного элемента вакуумно-дуговой системы бесконтактного поджига. Если электрод-экран системы поджига и цилиндрический катод источника плазмы выполнены из разнородных материалов,появляется возможность дозированного введения в состав получаемых тонких пленок и покрытий материала электрода-экрана. Например, при выполнении электрода-экрана из какого-нибудь металла или сплава, а катода - из графита или композиции графит-металл(или наоборот) возможно получение композиционных металлсодержащих углеродных, в частности алмазоподобных, тонких пленок и покрытий требуемого состава. Если цилиндрический катод, электрод-экран и поджигающий электрод выполнены из одного и того же материала, источник плазмы позволяет генерировать импульсные потоки плазмы,практически не отличающиеся по элементному составу от этого материала. Наличие перечисленных положительных факторов в их совокупности способствует достижению цели изобретения. В связи с изложенным следует признать, что вышеперечисленные отличительные признаки являются существенными. На чертеже схематично изображен предлагаемый в качестве изобретения импульсный сильноточный технологический вакуумно-дуговой источник плазмы. Он содержит два основных электрода - кольцевой анод 1 и цилиндрический катод 2. Катод 2 установлен соосно с анодом 1 и выполнен с возможностью осевого перемещения(показано стрелками). Торец 3 катода 2 является расходуемым и служит для получения плазмы из материала катода. Кольцевой анод 1 является нерасходуемым электродом и предназначен для формирования импульсных плазменных потоков, истекающих через его отверстие 4. Оба основных электрода выполняются охлаждаемыми, по крайней мере, косвенно. Источник плазмы имеет также вакуумно-дуговую систему бесконтактного поджига 5,обеспечивающую возбуждение сильноточных импульсных вакуумно-дуговых разрядов на расходуемом торце 3 катода 2. Она может быть полностью заимствована из источникапрототипа или других аналогичных устройств, например, описанного в патенте РБ 9264. Система поджига 5 содержит расположенный между анодом 1 и катодом 2 соосный с ними кольцевой импульсный инжектор инициирующей плазмы 6, ориентированный в сторону катода 2 и оснащенный кольцевыми инициирующим 7 и поджигающим 8 электродами, разделенными кольцевым изолятором 9, внутренняя поверхность которого снабжена тонкопленочным токопроводом 10. Система поджига 5 содержит еще кольцевой электрод-экран 11, охватывающий с зазором 12 катод 2 около его расходуемого торца 3. Для электропитания системы поджига 5 служит схема, включающая три конденсаторных батареи инициирующую 13, вспомогательную 14 и дополнительную 15 и управляющий элемент 16. Положительный полюсинициирующей конденсаторной батареи 13 соединен с инициирующим электродом 7 посредством управляющего элемента 16. Отрицательные полюса (-) инициирующей 13 и вспомогательной 14 конденсаторных батарей и положительный полюсдополнительной конденсаторной батареи 15 соединены с поджигающим электродом 8, положительный полюсвспомогательной конденсаторной батареи 14 присоединен к катоду 2, а отрицательный полюс (-) дополнительной конденсаторной батареи 15 - к электроду-экрану 11. Анод 1 и катод 2 источника плазмы присоединены к имеющейся в нем основной конденсаторной батарее 17, анод 1 - к положительному ее полюсу , а катод 2 - к отрицательному (-). Электрод-экран 11 выполнен с возможностью осевого перемещения и выполнен в виде быстросъемного элемента вакуумно-дуговой системы бесконтактного поджига 5. Электрод-экран 11, катод 2 и поджигающий электрод 8 могут быть изготовлены как из разнородных материалов, так и из одного и того же материала. Ими могут быть графит,композиция графит-металл, в частности графит-медь, композиции графит-кремний,графит-алюминий-кремний, а также иные композиции и некоторые металлы и сплавы. 14060 1 2011.02.28 Источник плазмы работает следующим образом. После достижения в вакуумной камере, оснащенной им, давления 10-3 мм рт.ст. и ниже, заряжаются конденсаторные батареи 1315 и 17 от управляемых источников электропитания (не показаны). При подаче управляющего сигнала на управляющий элемент 16 в системе поджига 5, а именно в ее инжекторе инициирующей плазмы 6, возникает инициирующий импульсный вакуумнодуговой разряд, возбуждению которого предшествует электровзрывное испарение материала тонкопленочного токопровода 10, требующее лишь незначительных затрат энергии,запасенной в инициирующей конденсаторной батарее 13, емкость которой обычно составляет 210 мкФ, а предразрядное напряжение на ней - 400800 В. Остальная часть запасенной энергии затрачивается на поддержание горения упомянутого инициирующего вакуумно-дугового разряда, сопровождающегося получением инициирующей плазмы из материала поджигающего электрода 8. Полученная инициирующая плазма инжектируется в сторону катода 2 и кольцевого электрода-экрана 11, закорачивая вакуумный промежуток, образованный поджигающим электродом 8 и катодом 2, которые присоединены соответственно к отрицательному (-) и положительномуполюсам вспомогательной конденсаторной батареи 14. При ее емкости 1050 мкФ и предразрядном напряжении на ней 300600 В в вышеуказанном промежутке безотказно возникает вспомогательный импульсный вакуумно-дуговой разряд, горение которого сопровождается интенсификацией процесса получения инициирующей плазмы. Катод 2 источника плазмы на этой стадии поджига является анодом данного вспомогательного разряда. Благодаря этому формируется весьма плотный плазменный сгусток, направленный на расходуемый торец 3 катода 2. Электроны, извлекаемые из этого сгустка плазмы, бомбардируют и разогревают отдельные локальные микровыступы, всегда имеющиеся на расходуемом торце 3, и тем самым создают условия для осуществления из них термоэлектронной эмиссии. В то же время упомянутый сгусток плазмы перекрывает вакуумный промежуток, образованный электродом-экраном 11 и поджигающим электродом 8, которые присоединены соответственно к отрицательному (-) и положительному полюсам дополнительной конденсаторной батареи 15, предварительно заряженной до напряжения 200600 В. По плазменной перемычке между электродом-экраном 11 и поджигающим электродом 8 загорается дополнительный импульсный вакуумно-дуговой разряд, при горении которого на электродеэкране 11 (катоде разряда) появляются собственные катодные микропятна. При емкости дополнительной конденсаторной батареи 50100 мкФ и более их воздействие сопровождается переводом в состояние плазмы как материала, осажденного на электроде-экране 11,так и материала самого электрода-экрана. Закорачивания зазора между электродомэкраном 11 и катодом 2 в таких условиях практически не наблюдается. Плазма, полученная в дополнительном импульсном вакуумно-дуговом разряде замыкает вакуумный промежуток, образованный катодом 2 и анодом 1, стимулируя процесс зарождения катодных микропятен на расходуемом торце 3 катода 2 в местах расположения предварительно разогретых микровыступов, способных обеспечить термоэлектронную эмиссию и гарантировать увеличение надежности поджига основного импульсного вакуумно-дугового разряда между катодом 2 и анодом 1, поддерживаемого основной конденсаторной батареей 17 емкостью 10005000 мкФ, предварительно заряженной до напряжения 150500 В. Вышеописанные процессы многократно повторяются. Постоянства геометрии основного разрядного промежутка достигают за счет осевого перемещения катода 2. Выработка его расходуемого торца 3 оказывается достаточно равномерной. По мере расходования материала электрода-экрана 11 осуществляют осевое перемещение последнего. Генерируемые импульсные потоки плазмы истекающие в объем вакуумной камеры(не показана) через отверстие 4 кольцевого анода 1 используются при нанесении тонких пленок и покрытий различного функционального назначения или для каких-нибудь других технологических целей. При одном и том же материале катода 2 межпрофилактический 6 14060 1 2011.02.28 ресурс высоконадежной работы предложенного импульсного сильноточного технологического вакуумно-дугового источника плазмы не менее чем в 35 раз превосходит таковой для источника-прототипа. Предлагаемый импульсный сильноточный технологический вакуумно-дуговой источник плазмы прошел испытания в промышленных установках УВНИПА-1-001 и УВНИПА 1-002 для нанесения тонкопленочных износостойких и трибологических покрытий и может быть использован в других вакуумно-плазменных установках технологического назначения как отечественного производства, например ВДУ-СИ (производитель РУП СЗОС г. Сморгонь), так и производства иных стран СНГ и дальнего зарубежья. Источники информации 1. Аксенов Д.С., Аксенов И.И., Стрельницкий В.Е. Источники чистой эрозионной плазмы в технике вакуумно-дугового осаждения покрытий обзор. Сборник трудов Межд. Харьковской нанотехнологической Ассамблеи, Ассамблея-2006. - Харьков. - С. 106-113. 2. Маслов А.И., Дмитриев Т.К., Чистяков Ю.Д. Импульсный источник углеродной плазмы для технологических целей // Приборы и техника эксперимента. - 1985. -3. С. 143-149. 3. Патент РБ 10555, 2008. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7