ВАКУУМНЫЙ ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ ЖИДКИХ ПРЕКУРСОРОВ

Заявленное техническое решение относится к технологии напыления пленок в вакууме и может быть использовано для нанесения алмазоподобных пленок гидрогенизированного углерода и кремний-углеродных алмазоподобных пленок с использованием жидких прекурсоров.
Из предыдущего уровня техники известен плазмотрон парожидкостный электродуговой (патент Российской Федерации на полезную модель №115141, H05H 1/00, H05H 1/26, H05B 7/22). Плазмотрон парожидкостной электродуговой включает размещенные соосно в его цилиндрическом корпусе подвижный центральный электрод и сопло-конфузор, образующие электроразрядную камеру, механизм возбуждения в ней электрической дуги, заполненный влаговпитывающим материалом Г-образный резервуар для рабочей парообразующей жидкости, удлиненная часть которого расположена параллельно или под углом к корпусу, удерживающий сопло-конфузор съемный колпачок, примыкающий к соплу-конфузору трубчатый испаритель с цилиндрической головной (передней) и противоположной хвостовой (задней) конусной частями и с центральным каналом для подачи паров жидкости в электроразрядную камеру, при этом конусную часть испарителя охватывает снаружи вкладыш, выполненный из набора колец, изготовленных из капиллярно-пористого материала, причем вкладыш контактирует с влаговпитывающим материалом резервуара, а электрод закреплен в головной (передней) части стержневого держателя, хвостовая (задняя) часть которого радиально упруго установлена с возможностью перемещения в пускорегулирующем и центрирующем электрод механизме.
Недостаток известного решения связаны с тем, что давление плазмообразующих паров внутри плазмотрона, определяющее основные параметры плазменной струи, нестабильно и неравномерно меняется по мере расхода рабочей парообразующей жидкости и прогрева деталей плазмотрона, зависит от режимов работы плазмотрона. Это обусловлено нестабильным парообразованием из-за недостаточно свободного и равномерного проникновения жидкости в испаритель и из-за перепадов давления внутри плазмотрона.
Известно устройство для генерации плазменного потока (патент Российской Федерации №2285358 МПК H05H 1/00 H05H 1/24), содержащее сопло со вставленным заостренным на конце электродом, имеющее приспособление для присоединения с источником плазмообразующего вещества, выходной электрод для создания электрического поля со стороны выходного конца сопла.
Однако это устройство имеет недостатки, заключающиеся в том, что в данной конструкции невозможно осуществление зажигания разряда с использованием жидких плазмообразующих сред для получения плазменной струи.
-4
Известно изобретение US №5466431, от 14.11.1995 г.Изобретение относится к новому классу алмазоподобных твердотельных материалов, особенно пленок и их покрытий и способов их изготовления. Способ изготовления алмазоподобной пленки осуществляют следующим образом. Размещают в вакуумной камере держатель с подложкой из диэлектрического материала. Подают на держатель подложки напряжение 0,3-5,0 кВ с частотой в диапазоне 1-25 МГц и поддерживают температуру подложки не выше 200-500°C. В вакуумной камере создают газоразрядную плазму с энергетической плотностью более 5 кВт·час/грамм-атом углеродных частиц. В эту плазму испаряют органосилоксан, нагретый до температуры 500-800°C, который при разложении в плазме служит источником углерода, кремния, кислорода и водорода. Поддерживают в вакуумной камере давление не выше 3-10 торр и осуществляют осаждение на подложку атомов или ионов углерода, кремния, кислорода и водорода, а также атомов или ионов легирующего материала.
Недостаток известного решения - использование пористого наконечника с открытыми во все стороны поверхностями испарения прекурсора, в результате чего большая часть паров садится на стенки камеры и как следствие - большой расход прекурсора и низкая скорость роста пленки.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в увеличении скорости роста пленки и повышения эффективности расходования прекурсора.
Данная задача решается за счет уменьшения расходимости газового потока выходящего из отверстия в керамическом пористом наконечнике как из сопла по сравнению с расходимостью газового потока, выходящего из керамической насадки, имеющей плоскую форму.
Вакуумный плазмотрон для жидких прекурсоров характеризующийся тем, что он включает последовательно соединенные капилляром: сосуд для прекурсора, нагнетающий прекурсор насос, обратный клапан, вакуумноплотный ввод в камеру напыления, керамический пористый наконечник закрепленный на заземленном металлическом держателе. Керамический пористый наконечник плазмотрона выполнен в форме цилиндра с двумя цилиндрическими отверстиями с противоположных торцов, не соединяющимися между собой и покрыт устойчивым к плазме и непроницаемым для паров прекурсора защитным слоем по всей поверхности, исключая внутреннюю поверхность цилиндрических отверстий. Металлический держатель пористого наконечника представляет собой трубку из нержавеющей стали диаметром ~7-8 мм. Капилляр расположен внутри этой трубки. В качестве керамики пористого наконечника выбирается спеченная корундовая керамика с размером зерна 40-100 мкм. В качестве устойчивого к плазме и непроницаемого для паров прекурсора защитного слоя выбирается смесь корундового порошка дисперсностью 20-40 мкм с силикатным клеем, толщиной 1-2 мм. Генерирующая плазму часть плазмотрона состоит из вольфрамового катода, закрепленного на водоохлаждаемых токовводах, и двух источников питания, обеспечивающих подачу на катод переменного тока накала и постоянного отрицательного смещения. Плазмотрон собран на отдельном фланце.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено устройство вакуумного плазмотрона для жидких прекурсоров, на фиг. 2 - разрез керамической насадки. Устройство состоит из сосуда с жидким прекурсором 1, вакуумноплотного капилляра 2, нагнетающего прекурсор насоса 3, обратного клапана 4, вакуумноплотного ввод прекурсора 5, заземленного металлического держателя 6, керамического пористого наконечника 7, водоохлаждаемых токовводов 8, вольфрамового катода 9, источника питания тока накала катода 10, источника питания отрицательного смещения катода 11, фланца крепления плазмотрона к вакуумной камере 12. (Фиг. 1). Конструкция пористого керамического наконечника показана на фиг. 2. Керамический наконечник состоит из отверстия для входа прекурсора 7а, отверстия для выхода паров прекурсора 7б, устойчивого к плазме и непроницаемого для паров прекурсора защитного слоя 7в.
-4
Вакуумный плазмотрон для жидких прекурсоров работает следующим образом. В откачанной до давления 10 мм. рт. ст. вакуумной камере напылительной установки включается источника питания тока накала катода 10 и через 2-3 минуты на катод 9 подается постоянное электрическое напряжение отрицательной полярности, величиной 180 вольт. Затем включается нагнетательный насос 3 для подачи прекурсора в камеру. Насос работает с заранее заданной скоростью. По капилляру 2 прекурсор проходит обратный клапан 4 и через вакуумноплотный ввод 5 попадает в пористый наконечник 7 через отверстие 7а. Пористый наконечник 7 крепится к фланцу вакуумной камеры 12 с помощью металлического держателя 6. Пористый наконечник 7 нагревается от раскаленного вольфрамового катода 9 до температуры в 1,5-2 раза выше температуры кипения прекурсора. Перегретый пар прекурсора по порам попадает в объем 7б - канал для выхода паров прекурсора. Канал 76 формирует в вакуумной камере пучок, обладающий определенной степенью коллимации и значительно пониженной расходимостью. Электроны, эмитируемые катодом, превращают перегретый пар прекурсора в плазму, которая затем осаждается на подложку и формирует растущую пленку. Благодаря такой коллимации снижаются потери из-за расходимости пучка плазмы и, как следствие, увеличивается скорость роста пленки. Поскольку в заявленном плазмотроне генерируется низкотемпературная плазма, степень ионизации которой не превышает 5-7%, используемый способ - коллимация, оказывается более эффективным чем обычно принятый способ магнитной фокусировки пучка плазмы, поскольку воздействует на 95-93% вещества плазмы, а не на 5-7% как при магнитном управлении. При этом использование магнитной фокусировки не исключается и становится более эффективным за счет предварительного сужения пучка плазмы и, следовательно, возникновения возможности уменьшения диаметра фокусирующих катушек.
Работоспособность предлагаемого плазмотрона проверена в серии экспериментов.
Таким образом, использование заявленной полезной модели позволяет увеличить скорость роста пленки и повысить эффективность расходования прекурсора.