ДУГОВОЙ ИСПАРИТЕЛЬ

Полезная модель относится к классу устройств, позволяющих наносить из низкотемпературной плазмы на подложку покрытие, в том числе и наноразмерное.
Известно устройство, использующее электродуговое осаждение вещества из плазмы аномально тлеющего разряда [В.М. Шулаев, А.А. Андреев, В.П. Руденко Модернизация вакуумно-дуговых установок для синтеза покрытий и азотирования методом ионной имплантации и осаждения // ФИП PSE 2006, Т. 4. - №3-4. - С. 136-142]. Такая установка содержит вакуумную камеру, дуговые испарители с подсоединенными к ним источниками питания, средства откачки и напуска рабочих газов, держатель подложек, блок питания подложек и блок управления.
Преимуществом такого устройства нанесения покрытий является более высокая адгезия напыляемого на подложку вещества. При возникновении дугового разряда на поверхности дугового испарителя образуется так называемое катодное пятно с диаметром горения разряда дуги порядка 1-3 мкм при токе дуги 100-150 А. Таким образом на поверхности дугового испарителя имеется чрезвычайно высокая плотность тока, что вызывает локальное плавление испарителя в области пятна. Расплавленный металл испаряется, проходит через зону горения дуги. При этом атомы металла почти все ионизируются (~100% ионизации). Образовавшиеся ионы ускоряются электрическим полем (подложка - отрицательный электрод) и осаждаются с высокой энергией, что и обеспечивает высокую степень адгезии наносимого покрытия. Такое устройство на основе дугового испарителя называется устройством КИБ - катодно-ионной бомбардировки.
Недостатком конструкции КИБ является наличие капельной фазы в плазменном осаждаемом потоке. Капли расплавленного металла появляются в связи с тем, что на охлаждаемый катод дугового испарителя подается небольшое отрицательное напряжение, которое вытягивает на себя часть ионов, образующихся в дуговом разряде из испаренных атомов охлаждаемого катода. Этот поток ионов, попадающих на расплавленный металл, создает давление на расплав, что и вызывает его разбрызгивание в виде капель размером до 10 мкм. Кроме того возможен локальный перегрев рабочего пятна на мишени и взрывное испарение. Эти явления существенно увеличивают параметр шероховатости, что приводит к невозможности использования устройств типа КИБ в ряде случаев. Например, при напылении на оснастку, изготавливающую DVD-диски, ухудшает отражающие свойства поверхности. Наличие капельной фазы совершенно исключает применение устройств КИБ для нанесения наноразмерных по толщине покрытий, так как размер кластеров капельной фазы (капель) превышает толщину наноразмерного покрытия, что не позволяет получать однородные по толщине покрытия.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является дуговой испаритель в составе промышленной установки "Булат - 6" [См. техническое описание установки "Булат-6" Ф 10000-02 ТО, 1984 г.], состоящий из охлаждаемого катода, системы поджига дугового разряда, соосной с охлаждаемым катодом катушки стабилизации дугового разряда и соосной с охлаждаемым катодом и катушкой стабилизации катушки фокусировки.
Преимуществом использования такого дугового испарителя является более высокая адгезия напыляемого на подложку вещества. При возникновении дугового разряда на поверхности охлаждаемого катода дугового испарителя образуется так называемое катодное пятно с диаметром горения разряда дуги порядка 1-3 мкм при токе дуги 100-150 А. Таким образом, на поверхности дугового испарителя имеется чрезвычайно высокая плотность тока, что вызывает локальное плавление вещества охлаждаемого катода дугового испарителя в области пятна. Расплавленный металл испаряется и проходит через зону горения дуги. При этом атомы металла почти все ионизируются, в отличие от кластеров капельной фазы. Образовавшиеся ионы ускоряются электрическим полем и осаждаются с высокой энергией, что и обеспечивает высокую степень адгезии наносимого покрытия. К сожалению, конструкция устройства не позволяет избавиться от капельной фазы, что не позволяет получать однородные по структуре пленки.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью является исключение капельной фазы из потока осаждаемого материала, что позволяет получать однородные по структуре пленки, включая наноразмерные пленки, толщина которых много меньше размеров кластеров капельной фазы.
Поставленная задача решается за счет того, что дуговой испаритель, состоит из охлаждаемого катода, системы поджига дугового разряда, катушки стабилизации дугового разряда и катушки фокусировки, установленные соосно с охлаждаемым катодом. Но, в отличие от известного дугового испарителя он снабжен металлической немагнитной заслонкой, выполненной в форме диска, диаметр которого равен диаметру охлаждаемого катода, расположенной между катушками фокусировки и стабилизации соосно с охлаждаемым катодом, и расположенной внутри катушки фокусировки заслонкой, выполненной из немагнитного металла в виде усеченного конуса, диаметр большего основания которого равен внутреннему диаметру катушки фокусировки, а диаметр меньшего основания, обращенного в сторону охлаждаемого катода равен удвоенному диаметру заслонки.
Достигаемым техническим результатом является повышение однородности получаемых покрытий за счет исключения из потока осаждаемого материала капельной фазы, что позволяет наносить покрытия, включая наноразмерные и повышает однородность структуры получаемых покрытий.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором приведена схема дугового испарителя, где 1 - охлаждаемый катод, который служит источником распыляемого материала. Для распыления материала система поджига дугового разряда 2 с помощью катушки стабилизации 3 формирует на поверхности охлаждаемого катода дуговой разряд, который испаряет материал охлаждаемого катода в виде потока ионов и капельной фазы. С помощью катушки фокусировки 4 формируется плазменный факел, направленный по оси системы. В плазменном факеле присутствуют как ионы распыляемого вещества, так и его капли. Размещенная на оси дугового испарителя заслонка 5 избавляет поток напыляемого вещества от прямолетящих капель, а установленная внутри катушки фокусировки по меньшей мере одна заслонка от капель 6, летящих под углом от охлаждаемого катода. Заслонка выполнена в виде усеченного конуса из немагнитного металла, причем диаметр большего основания конуса равен внутреннему диаметру катушки фокусировки, а меньший диаметр конуса, обращенный в сторону охлаждаемого катода равен удвоенному диаметру заслонки, сосной с охлаждаемым катодом дугового испарителя.
Полученная полезная модель работает следующим образом. На боковой поверхности охлаждаемого катода 1 возбуждается дуговой разряд, который с помощью магнитного поля катушки стабилизации «переносится» на торцевую поверхность охлаждаемого катода и удерживается на ней с помощью того же магнитного поля катушки стабилизации и образует на ней хаотически перемещающееся катодное пятно. Из катодного пятна испаряется материал охлаждаемого катода, он проходит через зону плазмы и практически полностью ионизируется, а мощность дугового разряда такова, что на расплав катодного пятна «возвращаются» ионы, оказывают на него давление и, как следствие, приводят к разбрызгиванию расплава. Образующиеся кластеры капельной фазы электронейтральны и направлены от охлаждаемого катода.
Вытянутые из плазмы ионы образуют факел с максимальным распределением плотности тока по оси рассматриваемой системы. Капли расплавленного металла вылетают по всем направлениям.
Так как заслонка в виде диска не связана ни с одним элементом дугового испарителя, то попадающие на нее ионы из охлаждаемого катода будут заряжать ее. Заряд заслонки будет увеличиваться до тех пор, пока образуемое им электрическое поле не станет полностью отталкивать ионы, которые будут огибать заслонку и двигаться по прежней траектории, вращаясь вокруг магнитных силовых линий катушек.
Капельная фаза продуктов испарения, движущихся по оси дугового испарителя ограничивается заслонкой, расположенной на оси системы, так как капли не заряжены, а диаметр заслонки равен диаметру охлаждаемого катода, а та часть, которая распыляется под углом задерживается заслонкой в виде усеченного конуса, подогнанной вплотную к катушке фокусировки (так называемая «ловушка» капель). Как правило, достаточно одной заслонки, но в некоторых случаях их число можно увеличить до двух конусов. Наклон конуса в сторону охлаждаемого катода препятствует «отражению» от него мелких капель и устраняет их из потока осаждения.
Вследствие того, что заслонка в виде диска заряжается, ионный факел будет обтекать ее и ионы будут двигаться в прямом направлении, в отличие от капельной фазы. Диаметр заслонки в виде диска должен совпадать с диаметром охлаждаемого катода, чтобы изолировать соосный капельный поток. Если он будет меньше, то часть капель «прорвется» в прямом направлении. Если он будет больше, то уменьшит поток ионов, огибающих заслонку.
Как показывают эксперименты, меньший диаметр конуса должен обеспечивать изоляцию капельной фазы и прохождение плазменного факела. При этом достаточно, чтобы его диаметр равнялся удвоенному диаметру заслонки, сосной с охлаждаемого катодом дугового испарителя.
В качестве эффективности работы предложенной полезной модели были рассмотрены 3 образца из высокоуглеродистой стали размерами 30×30×3 мм с неоднородностью поверхности Ra=0,2-0,3 мкм.
Первый образец: покрытие нитрид титана, установка «Булат-6», дуговой испаритель - штатный заводской. Результат - образец с покрытием нитрид титана имел неоднородность поверхности Ra=1,5-1,8 мкм.
Второй образец: покрытие нитрид титана, установка «Булат-6» с дуговым испарителем по заявляемой полезной модели. Результат - неоднородность поверхности покрытия Ra=0,3-0,5 мкм, что существенно лучше, чем при штатном дуговом испарителе.
Третий образец: покрытие рафинированная медь. Дуговой испаритель штатный. Толщина пленки 0,5 мкм. Размеры капель на поверхности 1 мкм и более, что не позволяет говорить о наноразмерности получаемого покрытия.
Четвертый образец: покрытие рафинированная медь. Дуговой испаритель по заявляемой полезной модели. Толщина пленки 0,5 мкм, неоднородность поверхности покрытия Ra=0,05-0,1 мкм. Капельная фаза отсутствует. Покрытие соответствует критерию наноразмерности.
Измеренные коэффициенты отражения на длине волны 450 нм (зеленый цвет) как фактор однородности получаемого покрытия составили:
- первый образец 40%
- второй образец 82%
- третий образец 50%
- четвертый образец 85%
Из вышеприведенного следует, что предлагаемая полезная модель позволяет практически полностью исключить наличие капельной фазы дугового испарителя простыми и, значит, дешевыми средствами, не требующими значительных конструктивных изменений, а также не затрагивающих изменений в электрических схемах.
Приведенное описание доказывает достижение технического результата - повышение однородности получаемых пленок за счет устранения капельной фазы. В приведенном примере показано, что заслонки являются препятствием для прохождения кластеров капельной фазы.