ИСКРОВОЕ ИСПАРЕНИЕ УГЛЕРОДА
SPARK EVAPORATION OF CARBON

Изобретение относится к способу катодного искрового испарения углеродной мишени или мишени с высоким содержанием углерода для изготовления слоев углерода или слоев, которые содержат большой процент содержания углерода.
Более конкретно, изобретение относится к изготовлению твердых слоев углерода, которые не содержат водорода или лишь с незначительным содержанием водорода и твердость которых может варьироваться в широких диапазонах.
В соответствии с изобретением предложено устройство, которое позволяет зажигать искру при низких напряжениях на электрическом пути, то есть без механического контакта зажигания и с возможностью соответственно высоких частот повторения.
Это устройство, кроме того, позволяет надежно направлять искру на углеродную мишень также меньшей площади и при малой поддержке или без поддержки магнитным полем, чтобы обеспечить воспроизводимое нанесение покрытия в вакууме.
Далее, в соответствии с изобретением описаны устройство и способ, которые позволяют регулировать процент содержания многократно заряженных ионов углерода при нанесении покрытия и изменять скорость нанесения покрытия.
Предпочтительная комбинация способа и устройства используется для того, чтобы в значительной степени снижать или избегать внедрения в осаждаемый слой брызг, возникающих при искровом испарении.
Наконец, изобретение относится к безводородному слою углерода, который изготавливается этим способом с использованием заявляемого устройства, у которого твердость и шероховатость поверхности могут изменяться в широких диапазонах и с помощью которого трибологическая система, состоящая из тела с нанесенным покрытием и соответствующего сопряженного элемента, может целенаправленно оптимизироваться.
Важное выполнение слоя состоит в легировании другими элементами, в частности металлами и газами, однако без внедрения больших количеств водорода.
Катодное искровое испарение углерода является давно известным способом, который находит применение для нанесения покрытия на инструменты и детали. В этом способе мишени состоят из испаряемого углерода и при искровом разряде приводятся в действие как катоды.
Согласно уровню техники, катодное искровое испарение углерода выполняется с помощью импульсного искрового тока. Режим эксплуатации на постоянном токе приводит к «заеданию» искры на участке мишени. Это предположительно объясняется тем, что графит, в отличие от обычных металлических проводников, при высоких температурах имеет меньшее удельное сопротивление и тем самым стимулируется искровой режим при меньшем напряжении на уже горячем участке мишени. Пульсация искрового тока отклоняет искру и препятствует его задерживанию на одном пятне и тем самым прожиганию мишени.
Принципиально имеется два типа генерации импульсного искрового тока. Первый тип (далее обозначается как способ А) состоит в том, чтобы на непрерывный искровой ток IKD накладывать дополнительные импульсы тока IKP. Это схематично показано на фиг.1. Другой тип (далее обозначается как способ В, фиг.2) состоит в том, чтобы только импульсы тока IKP для искрового тока генерировать последовательно, причем между импульсами тока ток выключается, и в соответствии с этим для каждого импульса искра должна зажигаться заново, то есть происходит работа с прерывистым искровым током.
Оба способа имеют преимущества и недостатки. Способ А, который описан в публикации Grimm, EP_00666335_A1, имеет преимущество, заключающееся в том, что только один процесс зажигания требуется для зажигания непрерывного искрового тока IKD. Токовые импульсы IKP накладываются на этот непрерывный искровой ток и поэтому не требуют собственного зажигания, что является особенно предпочтительным, если токовые импульсы имеют высокие частоты. Так как только в начале процесса нанесения покрытия должен зажигаться непрерывный искровой ток, можно работать с устойчивым и обычным в производстве зажиганием через кратковременный низкоомный механический контакт между катодом и анодом. Наложение на непрерывный ток IKD, который питается от источника питания постоянного тока, импульсного тока IKP может осуществляться через параллельно включенный разряд конденсатора или через параллельно включенный источник напряжения. Но также могут использоваться коммерчески доступные источники импульсного тока (например, разработанные для импульсной сварки), которые в определенном диапазоне позволяют осуществлять установку параметров импульсов (частоты, амплитуды импульса, ширины импульса, крутизны импульса).
Соответственно, в публикации Ramm et al., WO 2009/059807 описан импульсный способ, в том числе для изготовления ta-C слоев. При этом на напряжение постоянного тока (DC), которое приводит к основному току, накладываются импульсы напряжения, которые влияют на режим эмиссии электронов таким образом, что предотвращает «заедание» точки основания искры, то есть предотвращается длительное задерживание точки основания искры на очень малом участке поверхности мишени. Питание DC-током осуществляется при этом с основным током так, что плазменный разряд может поддерживаться непрерывно.
Необходимость в постоянном протекании тока в способе А имеет, в общем случае, два недостатка, если этот способ используется для изготовления твердых углеродных слоев. Первый состоит в опасности нанесения слоя со слишком высокими скоростями, а именно, за счет испарения посредством непрерывного искрового тока. Известно, что слишком высокие скорости нанесения сокращают алмазоподобные sp3-связи углерода, что описано в работе Yin et al., “A theory for the formation of tetrahedral amorphous carbon including deposition rate effects”, Thin Solid Films (1996) 95-100.
Это приводит тогда к тому, что осажденные слои становятся более мягкими, что является нежелательным, если они должны применяться в качестве слоев защиты от износа. Возможный выход состоит в том, чтобы нанесение покрытия приостанавливать на более или менее большие временные интервалы. Но это означает, что соответственно снова необходимо осуществлять зажигание, и из-за этого теряются преимущества лишь однократного зажигания при комбинации импульсного тока с непрерывным искровым током. Другой недостаток этого способа состоит в том, что процент содержания высокозаряженных ионов углерода при непрерывном искровом разряде является низким.
Другой способ, способ В, работает с импульсами тока, между которыми искровой ток соответственно вновь сводится к нулю. Поэтому является необходимым, что для каждого импульса тока должно вновь осуществляться зажигание. Имеется множество способов реализовать этот процесс зажигания. Они, в частности, описаны в публикации Anders et al., “'Triggerless' triggering of vacuum arcs”, J. Phys D: Appl. Phys, 31, (1998), 584-587. Для всех этих способов общим является то, что они вначале генерируют плазму на катоде или аноде, которая затем обеспечивает достаточную проводимость участка между этими обоими электродами для искрового разряда, который затем в стационарном состоянии протекает при меньшем разрядном напряжении. Надежность механизмов зажигания является различной. Это также относится к максимальному числу импульсов, которое достижимо с помощью конкретного устройства зажигания, прежде чем будет произведен повторный технический осмотр. Это означает, что должны выполняться обширные работы по техническому обслуживанию. В лучших случаях будут достижимы примерно 100 000 импульсов без такого осмотра. Это означало бы, что спустя 30 часов рабочего времени (при частоте импульсов 1 Гц) должен был бы проводиться такой осмотр. При работе с более высокими частотами, например, с частотой импульсов 1 кГц, процесс должен был бы прерываться спустя примерно 2 минуты. Более высокие частоты были бы тогда еще менее реализуемыми с существующими механизмами зажигания. Однако в настоящее время практически не используются частоты выше 10 Гц, по меньшей мере не для процессов нанесения покрытий в производстве. Причина этого состоит в том, что частота повторения импульсов ограничивается временем заряда конденсатора. Обычно именно длительность (длина) импульса в способе В устанавливается посредством параметров разряда конденсатора или выключением длительности импульса в источнике питания от искрового тока.
В результате, можно сказать, что по сравнению друг с другом способы А и В имеют как преимущества, так и недостатки. В способе А требуется только одно начальное зажигание и затем на непрерывный ток искрового разряда могут накладываться токи также очень высокой частоты. Недостатком, однако, может быть то, что DC составляющая тока устанавливает минимальную частоту испарения, которая оказывает слишком сильное негативное воздействие на свойства слоя. Недостатком является также тот факт, что напряжение искрового разряда в импульсе лишь кратковременно приводит к трудно управляемому превышению напряжения, которое определяется пониженным импедансом DC искрового разряда. Это ограничивает в том числе генерирование многократно заряженных ионов углерода.
Преимуществом способа В является сравнительно высокое напряжение при зажигании искрового разряда (положительное воздействие на генерацию многократно заряженных С-ионов) и возможность устанавливать длительность искрового разряда так, что искровой разряд (например, при зажигании в середине мишени) прерывается, прежде чем он достигнет края мишени и перейдет на другие материалы. Частота импульсов ограничивается прежде всего быстротой механизма зажигания. Но большинство способов зажигания при высоких частотах и в течение длительной продолжительности процесса, как указано выше, являются ненадежными и/или обуславливают несоразмерно высокие затраты.
Ввиду вышеизложенного был бы желателен способ, который обходится с незначительной или без DC-составляющей тока, но при этом имеет высокое напряжение горения в импульсе, при котором можно работать с высокими частотами и при котором импульсное зажигание осуществляется надежным образом и с малыми затратами.
Недостатки различных способов зажигания и эксплуатации катодного искрового разряда на углеродной мишени можно подытожить следующим образом: современные способы при искровом испарении основываются либо на DC токе при искровом разряде с наложенными импульсами, либо на прерывистом искровом разряде, приводимом в действие с помощью дополнительного устройства зажигания. Наложение импульсов согласно способу А приводит лишь к незначительным превышениям напряжения искрового разряда при нарастании импульса и к связанной с этим сравнительно малой генерации многократно заряженных ионов. Необходимое время заряда конденсатора ограничивает к тому же «коэффициент заполнения» (duty cycle) импульсной составляющей. Частое зажигание при чисто импульсном режиме согласно способу В или снижает надежность процесса нанесения покрытия, и/или позволяет реализовать лишь очень дорогостоящие решения.
Целью изобретения является предложить способ для катодного искрового испарения углерода, с помощью которого могут быть реализованы последовательности зажигания с очень высокими частотами и короткими длительностями импульсов, без ограничений способа А (постоянно действующий постоянный ток) и способа В (зажигание на каждый импульс).
Предпочтительным образом этот способ зажигания должен иметь возможность комбинироваться как с «медленным» начальным зажиганием, такое, как используется в способе А, так и с «быстрым», не основанным на механическом контакте способе зажигания прерывистого импульсного режима, как это описано в работе Anders et al.
Изобретение должно обеспечивать возможность прерывистого импульсного режима, не требуя, после начального зажигания, дополнительного механизма зажигания от постороннего источника.
Существенный аспект изобретения заключается в возможности устанавливать величину разрядного напряжения для импульсов, чтобы тем самым целенаправленно оказывать влияние на степень ионизации паров углерода.
Другая цель изобретения заключается в том, чтобы предложить способ нанесения покрытия для изготовления слоев углерода, который позволяет реализовать переменное отношение импульс/пауза при искровом нанесении покрытия, чтобы тем самым достичь оптимальной установки скорости нанесения покрытия на подложку.
Соответствующий изобретению способ должен к тому же обеспечивать усовершенствование способа А за счет того, что он в комбинации с многократными импульсами, состоящими из быстрого чередование отдельных импульсов с короткой длительностью импульсов, предоставляет возможность существенно снизить разрядное напряжение искрового разряда по отношению к разрядному напряжению при обычном искровом разряде постоянного напряжения.
Указанная задача решается тем, что при катодном искровом испарении осуществляется искровой разряд посредством разряда по меньшей мере одного конденсатора, и соответствующий разрядный ток регулируется обычным образом путем периодического подключения и отключения конденсатора, причем в соответствии с изобретением в течение временных интервалов подключения разрядный ток при достижении заранее установленной величины кратковременно прерывается. Это приводит в пределах импульса к дополнительным импульсам, которые далее обозначаются как подымпульсы.
Неожиданным образом, для инициирования подымпульсов не потребовалась составляющая постоянного напряжения. То есть в пределах импульса искровой разряд после отключения напряжения может без проблем вновь запускаться. Не требуется инициируемое извне зажигание. Также не требуется поддержание искрового разряда за счет составляющей постоянного напряжения.
Еще более неожиданным является то, что на основе подымпульсов по истечении собственно импульса, после отключения конденсатора и по истечении интервала покоя подключение конденсатора обуславливает повторный запуск искрового разряда, а именно, без каких-либо затруднений, то есть без необходимости запускаемого извне зажигания. Поэтому и между импульсами не требуется основной ток. В отличие от уровня техники, искровой режим протекает в соответствии с изобретением с существенными прерываниями.
Это имеет, с одной стороны, преимущество, заключающееся в том, что посредством подымпульсов в пределах временного интервала подключения ионизация испаренных частиц значительно возрастает. С другой стороны, возможность зажигания искрового разряда после интервала покоя только за счет подключения разрядного напряжения имеет преимущество, состоящее в том, что скорость нанесения покрытия может беспроблемно ограничиваться, и за счет этого существует возможность реализовать твердые углеродные слои с большой sp3-составляющей.
То, почему возможно повторное зажигание с подымпульсами, а также повторное зажигание спустя интервал покоя, пока еще не полностью объяснено. Изобретатели полагают, что за счет повышенной степени ионизации испаренных частиц порог зажигания настолько снижается, что уже незначительное напряжение достаточно, чтобы повторно зажечь искровой разряд. Предполагается, что это возможно ввиду инерционности ионизированных частиц, в частности также действительно и по истечении интервала покоя. Следует указать на то, что вопрос, какой длительности может быть выбран интервал покоя между импульсами в зависимости от длительности импульса и числа подымпульсов, непосредственно зависит от текущих условий применяемой установки искрового испарения. Во всяком случае, специалист сможет без труда экспериментально установить, при какой длительности интервала покоя искровой разряд более не зажигается.
Изобретение детально представлено на примерах и с помощью чертежей, что не должно ограничивать общую идею изобретения.
На чертежах показано:
Фиг.1 - схематичное представление способа А (уровень техники).
Фиг.2 - схематичное представление способа В (уровень техники).
Фиг.3 - установка нанесения покрытий вакуумным напылением и соединение с электрическими источниками питания.
Фиг.4 - временная характеристика UKA и IKP в режиме искрового разряда по способу А согласно уровню техники с частотой импульсов 500 Гц. В качестве длительности импульса задано время 100 мкс.
Фиг.5 - временная характеристика UKA и IKP для одиночного импульса с лучшим разрешением в режиме искрового разряда по способу А согласно уровню техники с частотой импульсов 500 Гц. Пусковой сигнал для импульса составляет 100 мкс. Нарастание тока осуществляется в течение заданной длительности импульса, причем ток уже раньше чем 100 мкс достигает свободно выбираемого ограничения тока примерно 720 А, что приводит к отключению напряжения спустя примерно 40 мкс.
Фиг.6 - иллюстрация работы при импульсном искровом разряде (улучшенный способ А). Источник питания постоянного тока (5) вырабатывает IKD 30 А (не показано). На этот разряд постоянного тока накладывались импульсы с помощью источника (6) питания импульсного тока. Импульсный ток IKP представлен на чертеже. Длительность импульса в этом случае была установлена на 800 мкс (указан пусковой сигал). Между импульсами была установлена пауза 1200 мкс. Отключение тока осуществлялось при примерно 700 А. При этих условиях наблюдается возникновение пачки импульсов на длительности заданного импульса, который состоит из 6 подымпульсов.
Фиг.7 - лучшее временное разрешение кривых с фиг.6. Заданная длительность импульса составляет 800 мкс при ограничении тока при примерно 700 А. В течение этой длительности импульса посредством ограничения тока генерируются 6 подымпульсов, причем в каждом подымпульсе напряжение стабилизируется через примерно 40 мкс на более высоком уровне.
Фиг.8 - соответствующий изобретению режим импульсного искрового разряда. На чертеже показана временная характеристика IKP и UKA в случае выключенного (в соответствии с режимом, предусматривающим только прерывистые импульсы) источника (5) питания постоянного тока. Задавались длительности импульсов 1000 мкс и паузы между импульсами также 1000 мкс.
Фиг.9 - лучшее временное разрешение фиг.8. Показан одиночный импульс с 7 подымпульсами. С помощью кривой показано, что напряжения зажигания около 60 В достаточны, чтобы повторно зажечь подымпульсы в пределах одиночного импульса, причем для этого не требуется дополнительных устройств зажигания. Неожиданным образом оказалось, что эти напряжения также достаточны, чтобы спустя 1000 мкс вновь зажечь одиночный импульс.
Фиг.10 - временная характеристика UKA и IKP (согласно изобретению без составляющей постоянного тока) для заданной длительности импульса 900 мкс, в течение которого генерируются 6 подымпульсов. В качестве паузы между импульсами было выбрано время 1100 мкс. Для этого случая мог еще быть реализован режим зажигания с исключительно прерывистыми импульсами. Надежное зажигание в этой экспериментальной конфигурации не могло быть обеспечено для меньших длительностей импульсов и более длительных пауз между импульсами.
На фиг.4-6 представлены, соответственно, 3 кривые. Самая верхняя кривая соответствует токовой характеристике. Соответственно, релевантной является правая ось. Средняя кривая соответствует характеристике напряжения. Соответственно, релевантной является левая ось. Самая нижняя кривая должна отображать только длительность импульса. Ее амплитуда выбирается в случайных единицах.
Проводились опыты на установке нанесения покрытий вакуумным напылением типа Innova фирмы OC Oerlikon Balzers AG. Возможность использования способа на других установках нанесения покрытий вакуумным напылением будет очевидна для специалиста на основе описания.
3
Установка нанесения покрытий вакуумным напылением схематично представлена на фиг.3 и включает в себя вакуумируемый резервуар 1, в котором находится поворотный держатель 4 подложки для позиционирования подложки, на которую должно наноситься покрытие. Во всех опытах в вакуумированный резервуар впускался аргон с потоком 200 sccm (см/мин), причем полное давление в приемнике составляло 0,6 Па. Диапазон давления аргона может изменяться в широких пределах, и могут применяться также другие газы, например азот.
Кроме того, в этом вакуумированном коллекторе находится источник искрового испарения, который содержит испаряемую мишень 2 из углерода. Мишень 2 соответствующим образом механически удерживается и изолирована от приемника 1, который соединен с массой. Она включена, как катод искрового разряда. Дополнительно в резервуаре находится анод 3, который предпочтительно размещается вблизи мишени 2, действующей в качестве катода. Пространственная близость анода 3 к мишени 2 облегчает искровой режим и прежде всего процесс зажигания при прерывистых последовательностях импульсов с «самозажиганием» или без дополнительного принудительного зажигания. Центрированное расположение анода 3 также способствует стабильности искрового разряда, потому что оно способствует процессу зажигания прежде всего в середине мишени и препятствует тому, чтобы искровой разряд перемещался к краю мишени. Пульсация искрового тока также способствует стабилизации искрового разряда. Во-первых, так как это препятствует задерживанию искры на одном пятне мишени, а также, особенно при прерывистом режиме искрового разряда, так как при этом, предпочтительно за счет центрированного размещения анода 3 относительно мишени 2, обеспечивается зажигание искрового разряда в середине мишени и искровой ток может быть прерван (за счет установки длительности импульса), прежде чем искра сможет достичь края мишени. Для катодного испарения мишени 2 применяются два электрических источника питания, функции которых, разумеется, могут быть реализованы и в пределах одного источника питания. Источник 5 питания постоянного тока представляет собой электропитание с напряжением холостого хода, составляющее обычно 100 В. В искровом режиме это напряжение, вследствие незначительного импеданса искрового разряда (менее 1 Ома), устанавливается на напряжениях ниже 50 В, типичным образом, при углеродной мишени, на напряжениях около 20 В. В случае таких источников электропитания токи обычно могут устанавливаться до примерно 1000 А. Но в описываемых в данном случае экспериментах предпочтительно использовался только диапазон тока около 100 А и ниже, потому что, как отмечено выше, слишком высокие скорости нанесения покрытия снижают твердость углеродных слоев. Импульсный электрический источник 6 питания, который по существу коммутирует разряд конденсатора, и его электронные компоненты выполнены таким образом, что он может коммутировать высокие разрядные токи. Поэтому может быть целесообразным, устанавливать размеры электронных компонентов (например, IGBT - биполярный транзистор с изолированным затвором) таким образом, чтобы стремиться к установлению оптимального режима между требуемым разрядным током и частотой коммутации. Размер конденсатора выбирается таким образом, что при заданном напряжении заряда на конденсаторе может быть накоплено достаточно энергии (Q=CU), чтобы посредством этого питать катодный искровой разряд, иными словами, испарять соответствующий материал катода (в данном случае углерод). Конструктивное выполнение импульсного электрического источника питания является, таким образом, компромиссом между импульсным током, частотой импульсов, зарядным напряжением и имеющейся в распоряжении емкостью конденсатора. С помощью переключателей 7 и 8 электрические источники питания могут быть подключены для приведения в действие искрового разряда на мишени.
Также возможно, и это является новым и составляет часть изобретения, приводить в действие искровой разряд после начального зажигания только посредством импульсного электрического источника питания, а именно, только с помощью импульсного тока IKP. Полный искровой ток IKA идентичен в данном случае току IKP. Разрядное напряжение искрового разряда UKA измеряется между катодом (мишень 2) и анодом 3, как представлено на фиг.3. Если было бы желательно искровой разряд приводить в действие только с помощью импульсного источника питания, то в предшествующем уровне техники нужно было бы на каждый импульс вновь выполнять зажигание. Благодаря способу согласно изобретению такое каждый раз новое зажигание не требуется.
Источники питания защищены соответственно диодами 10, которые препятствуют тому, чтобы подаваемый ток от одного источника питания поступал в другой источник питания, и из-за этого возникали повреждения. Обычно положительные выводы источников питания соединены с массой, то есть находятся под потенциалом, под которым также находится резервуар. Но также может быть предпочтительным, что искровой разряд приводится в действие плавающим образом (не под потенциалом). С этой целью переключатель 9 размыкается. В зависимости от положения переключателя, также анод приводится в действие не под потенциалом или под потенциалом массы (тем же потенциалом, что и у резервуара). Для начального зажигания искрового разряда в экспериментах использовался механический контакт 11 зажигания, который через низкоомный резистор кратковременно создает контакт с анодом и тем самым приводит к начальному испарению материала мишени, который затем обеспечивает электропроводимость участка катод-анод, чтобы электрические источники 5 и/или 6 питания принимали на себя питание от искрового разряда для испарения материала мишени, то есть они работают при меньших напряжениях. После начального зажигания в соответствии с изобретением электрический источник 5 питания постоянного напряжения отключается, например, с помощью переключателя 7. Искровой разряд теперь питается исключительно посредством импульсного электрического источника 6 питания без составляющей постоянного тока.
В литературе для прерывистого импульсного режима (способ В) раскрывается, что превышение тока в начале импульса способствует повышению процентного содержания многократно ионизированных ионов испаряемого материала мишени (Paperny et al., “Ion acceleration at different stages of a pulsed vacuum arc”, J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) 155201). К сожалению, в этих экспериментах не останавливались на характеристиках напряжения. Предположительно, причину превышения тока в начале импульса можно свести к кратковременному приложению повышенного напряжения, это означает, что, вероятно, превышение напряжения следовало бы рассматривать собственно как причину повышенной ионизации, а возрастание тока представляет собой лишь вторичный эффект.
В способе В повышенное напряжение искрового разряда можно реализовать тем, что искра зажигается при условии, что между катодом и анодом приложено высокое напряжение холостого хода. Это может происходить за счет того, что конденсатор, который используется для разряда в импульсе, заряжается до высокого напряжения и исходя из этого высокого напряжения холостого хода на конденсаторе зажигается искра посредством дополнительного кратковременного испарения материала. После зажигания конденсатор затем разряжается, пока его заряд достаточен, чтобы поддерживать искру. Непосредственно после зажигания (обычно в течение первых 50 мкс) искровой разряд протекает при повышенном напряжении и затем спадает снова на пониженное значение напряжения, которое обычно задается импедансом соответствующего искрового разряда постоянного тока.
Создание ионов с высоким зарядовым состоянием в современном уровне техники (Paperny et al.) осуществляется в начале импульса тока и теряется затем после него, так что при длительности импульса 200 мкс только спустя первые 50 мкс генерируются еще такие зарядовые состояния, какие типичны для искрового разряда постоянного тока. Таким образом, чтобы генерировать повышенные зарядовые состояния, важно генерировать короткие импульсы тока порядка менее 100 мкс, предпочтительно менее 50 мкс. При типичных частотах импульсов 1 кГц это означало бы заметное сокращение «коэффициента заполнения» (duty cycle) и приводило бы к очень малым скоростям нанесения покрытия. Более быстрое принудительное зажигание посредством испарения материала связано с зарядной характеристикой используемого конденсатора (емкость конденсатора должна быть достаточно большой, чтобы генерировать плазму материала для зажигания) и в лучшем случае соответствует (см. Anders et al.) времени заряда около 1 мс, то есть при частоте примерно 1 кГц. Также возможно, хотя и с большими затратами, несколько конденсаторов зажигания во времени связать между собой, чтобы получить последовательность импульсов более высокой частоты. Однако это является затруднительным и дорогостоящим и, по сведениям изобретателей, до сих пор еще не осуществлено. Повышение частоты импульсов, прежде всего для коротких импульсов и в прерывистом режиме, является другим аспектом, который решается изобретением.
В то время как повышение тока в начале импульса для способа В можно реализовать относительно просто и только из-за высокого напряжения на механизме зажигания это может оказаться сложным, высокие напряжения искрового разряда в способе А могут быть реализованы с большими затруднениями. Специалисту известно, что постепенное повышение напряжения при искровом разряде постоянного тока приводит к «безграничному» повышению тока, однако значительное превышение напряжения не устанавливается. Только наложение постоянного тока посредством импульсов с очень крутым фронтом повышает напряжение искрового разряда в способе А. Стабилизировать это повышение напряжения в течение длительного времени является трудным, так как ток быстро нарастает, и происходит быстрый разряд конденсатора и связанный с этим спад напряжения на самом конденсаторе. Это справедливо, в частности, в случае приложения постоянного тока, так как искровой разряд постоянного тока имеет малые импедансы лишь в диапазоне примерно 0,1 Ом.
Соответствующие изобретению способы касаются также еще одного аспекта катодного искрового испарения углерода. Из исследований Horikoshi et al., “Vacuum Arc Deposition of Homogeneous Amorphous Carbon Films at High Growth Rates”, New Diamond and Frontier Carbon Technology, Vol 16, No. 5 (2006), 267-277, можно сделать вывод, что разрядное напряжение на конденсаторе и величина заряда при разряде конденсатора оказывают влияние на частоту брызг при катодном искровом испарении, а именно, чем выше разрядное напряжение и чем больше количество заряда при разряде, тем меньше количество брызг. Это было доказано на единичных импульсах тока согласно способу В. При этом записанные формы импульса (фиг.4 в Horikoshi et al.) представляют собой типичные характеристики ток-время для разряда конденсатора: вначале крутое нарастание тока до максимума, который обычно достигается в пределах первых 100 мкс, и затем более медленное спадание тока. Длительность импульса зависит от емкости и импеданса разряда. Также разрядное напряжение и заряд влияют на форму импульса.
Описанные в данной заявке эксперименты проводились с импульсным электрическим источником 6 питания, который основывался на управляемом разряде конденсатора и который в этом конкретном случае допускал частоты импульсов до 2 кГц при максимальных токах 1000 А. Конденсатор имел емкость 8 мФ, и могли использоваться напряжения до 1000 В для заряда конденсатора. Увеличение конденсатора допускает беспроблемное использование токов 2000 А или больше, и могут, например, также использоваться зарядные напряжения до 2000 В. Время заряда конденсатора пропорционально произведению R и С, причем R является омическим сопротивлением зарядного контура, и С является емкостью конденсатора. Если было бы желательно заряжать конденсаторы также с большими емкостями С, то вынужденным образом нужно было бы принимать во внимание либо большие времена заряда, либо использовать большие напряжения заряда, чтобы при меньших временах заряда достичь того же количества заряда на конденсаторе. Более высокие зарядные напряжения ограничиваются границами совместимости электронных компонентов, а более длительные времена заряда ограничивают частоту импульсов (Anders et al.). Использование более высоких зарядных напряжений к тому же лимитируется ограничением тока источника питания постоянного напряжения, который используется для заряда конденсатора (он либо встраивается в источник 6 питания, либо подключается как внешний источник к источнику 6 питания и отдельно на чертеже не показан). Все эти факторы до сих пор препятствовали тому, что при повышенных напряжениях искрового разряда в течение более продолжительной длительности импульсов и при повышенных частотах катодные искровые разряды могли бы применяться с целью испарения материала, в особенности с целью испарения углерода.
Сначала описывается метод, который приводит к способу А. В этом способе, описанном в публикации Grimm, ЕР_00666335_А1, зажигается искровой разряд постоянного тока посредством кратковременного контакта механического пальца зажигания (анода) с мишенью, который затем поддерживается с помощью источника 5 питания. Дополнительно на этот разряд постоянного тока накладываются еще импульсы тока от разряда конденсатора (источник 6 питания). Временная характеристика тока этих импульсов отличается несущественно от той, которая была приведена в Horikoshi et al.: нарастание импульса тока в начале и затем спад, обусловленный разрядом конденсатора и в зависимости от соответствующего импеданса. Последний, в случае приложения постоянного тока, имеет величину порядка 0,1 Ом, то есть конденсатор будет быстро разряжаться (постоянная времени RxC).
Временная характеристика напряжения UKA и тока IKP для такого режима представлена на фиг.4. Ток IKD (не показан) задавался как 30 А с помощью источника 5 питания. Обычно этот ток спадает в течение импульса от источника 6 питания, так как диод затем запирает ток IKD. Генерировались импульсы с частотой 500 Гц, и задавалась длительность импульса 100 мкс и пауза между импульсами 1900 мкс. На импульсной характеристике показаны превышения напряжения и тока, которые с улучшенным разрешением более отчетливо представлены на фиг.5 для импульса с заданной длительностью 100 мкс. Отсюда следует, что напряжение -20 В в начале импульса, напряжение, которое устанавливается в случае постоянного тока с помощью электрического источника (5) питания, изменяется до примерно -50 В и затем стабилизируется примерно на -40 В. Результатом этого соразмерного повышения напряжения является сильное возрастание тока. Если бы теперь действовали согласно прежнему режиму работы по способу А (публикация Grimm, ЕР_00666335_А1), и разрешался свободный ход разряда конденсатора, то ток продолжал бы возрастать, конденсатор быстро разрядился бы и напряжение спало с нарастанием тока (отток заряда с конденсатора). Напряжение также сильно изменялось бы по времени.
Поэтому, чтобы стабилизировать повышенное разрядное напряжение, величина искрового тока ограничивается, еще прежде чем напряжение на конденсаторе сильно уменьшится. Это поясняется с помощью фиг.5. В источнике 6 питания может быть задана длительность импульса, которая ограничивает время разряда и для которого в данном случае выбрано значение 100 мкс. Для лучшего понимания пусковой сигнал для импульса также показан на фиг.5 (самая нижняя кривая). Для импульсного тока была задана верхняя граница 720 А (на чертеже 1,4 В соответствует примерно 1000 А). Ограничение тока было осуществлено таким образом, что напряжение искрового разряда по времени могло удерживаться в определенных границах или, иными словами: отключение тока осуществлялось при значении тока, при котором напряжение еще не существенно спало. Это зависит от соответствующих экспериментальных условий (например, также от индуктивностей кабеля) и технических данных применяемого источника 6 питания и свойств искрового разряда постоянного тока. Экспериментально это ограничение тока можно легко определить с помощью осциллоскопа, который показывает временные характеристики тока и напряжения.
На Фиг.5 показано, в частности, что ток (самая верхняя кривая на фиг.5) достигает этого граничного значения уже раньше длительности импульса 100 мкс и что с помощью этого метода более раннего отключения тока перед спадом напряжения можно стабилизировать повышенное напряжение UKA за примерно 40 мкс, то есть в диапазоне, в котором генерируются повышенные зарядные состояния катодного материала.
Оказалось, что превышение напряжения зависит от зарядного напряжения конденсатора (в данном случае использовалось 300 В), но также от величины конденсатора, который должен заряжаться (в данном случае 8 мФ). За счет того, что в этом эксперименте использовался источник питания постоянного напряжения для заряда конденсатора, при котором максимальный ток был ограничен на величину 30 А, и работали с частотой импульсов 500 Гц, емкость не может полностью вновь зарядиться между импульсами. Это упоминается только потому, что должно быть показано, что способ функционирует также при таких ограничениях.
На Фиг.6 показана работа при импульсном искровом разряде. В этом случае снова работают с источником 5 питания постоянного тока, который вырабатывает ток IKD 30 А. На этот разряд постоянного тока накладываются импульсы с помощью источника 6 питания импульсного тока. Импульсный ток IKP представлен на фиг.6. Длительность импульса в этом случае была установлена на 800 мкс (приведен пусковой сигнал). Между импульсами была установлена пауза 1200 мкс. Для отключения тока максимальный ток вновь был ограничен на величину примерно 700 А. В этих условиях наблюдается возникновение пачки импульсов в течение длины заданного импульса, которая состоит из 6 подымпульсов. Для большей наглядности на фиг.7 было выбрано лучшее разрешение. На фиг. показано, что, в случае, если вновь работают с ограничением тока, генерирование подымпульсов разрядного напряжения можно устанавливать подобно тому, как для условий на фиг.5, на значения примерно -40 В, вновь за примерно 40 мкс, то есть для длительности одного подымпульса. Постоянная времени для повторного включения подымпульсов составляет примерно 100 мкс. Это обусловлено режимом коммутации защитных диодов и может укорачиваться за счет применения более быстродействующих диодов. На фиг.7 также показано, что на заданном импульсе 800 мкс и при ограничении тока в 700 А, могут генерироваться 6 подымпульсов с последовательностью подымпульсов, которая больше, чем возможная при первоначальном источнике питания (в данном случае больше примерно на коэффициент 7,5). Одновременно в импульсе длительностью 800 мкс за счет генерации 6 подымпульсов напряжение может стабилизироваться за интервал времени 6Ч40 мкс, то есть всего на времени 240 мкс.
Для способа А с помощью этого метода можно увеличить частоту импульсов и стабилизировать искровой разряд на повышенном напряжении. Но прежде всего важна возможность того, что посредством этого способа отношение составляющей постоянного тока к составляющей импульсного тока может устанавливаться в пользу составляющей импульсного тока в широком диапазоне. На Фиг.4 показана работа с IKD 30 А и со средним во времени значением IKP 12 А. В противоположность этому, на фиг.6 показана работа при той же составляющей постоянного тока при усредненном по времени IKP 70 А.
Желательным было бы также генерирование пачки подимпульсов в способе В. Тем самым можно было бы полностью исключить составляющую постоянного тока. В этом способе, который основывается на прерывистых импульсах, возникает проблема зажигания на каждый импульс, но еще больше - проблема зажигания отдельных подымпульсов, которое должно осуществляться с намного более высокой частотой. При использовании механизмов зажигания согласно уровню техники эта проблема не может быть решена.
Поэтому исследовали, может ли комбинация ограничения искрового тока, повышенного разрядного напряжения и повышенной частоты следования при таким образом генерируемых подымпульсах генерировать достаточное количество и достаточно долго проводящую плазму, чтобы отказаться от принудительного зажигания, за исключением только однократного начального зажигания с помощью источника 5 в соединении с механическим пальцем 11 зажигания.
С этой целью действовали следующим образом. На первом этапе посредством кратковременного контакта между пальцем 11 зажигания и мишенью 2 зажигался искровой разряд постоянного тока с током IKD 40 А. Затем, аналогично способу А, подключался импульсный источник питания, и импульсный ток IKP накладывался на постоянный ток IKD. В качестве дальнейшего этапа, источник 5 питания постоянного тока отключался. На фиг.8 показана временная характеристика IKP и UKA для случая отключенного (соответственно режиму с только прерывистыми импульсами) источника 5 питания постоянного тока. Были заданы длительности импульса 1000 мкс и паузы между импульсами также 1000 мкс. Неожиданным образом, с помощью такого режима работы могло быть обеспечено то, что не потребовалось повторное зажигание ни между подымпульсами внутри импульсной пачки, а также, что было еще более неожиданным, ни между отдельными импульсами. На фиг.9, где с улучшенным временным разрешением показан одиночный импульс с 7 подымпульсами, показано, что напряжения зажигания величиной около 60 В достаточны, чтобы повторно зажигать подымпульсы внутри одиночного импульса, причем при этом не требуется дополнительных устройств зажигания. Неожиданным образом, эти напряжения достаточны также, чтобы спустя 1000 мкс вновь зажигать одиночные импульсы. Тем самым данный способ предоставляет метод, посредством которого можно реализовать прерывистый импульсный режим без дополнительного устройства зажигания. Кроме того, можно также увеличивать последовательность подымпульсов внутри одиночных импульсов, в данном случае до примерно 7 кГц.
Причина того, почему этот быстрый и простой метод зажигания искрового разряда функционирует, не полностью выяснена. Предполагается, что смесь из аргона и испаренного углерода в соединении с интенсивной ионизацией за счет импульсного режима (высоких токов электронов) достаточна, чтобы достаточно долго образовывать хорошо проводящую плазму, в которой искровой разряд может повторно зажигаться при малых напряжениях. Чтобы оценить границу еще реализуемого зажигания для устройства, применяемого в этих экспериментах, и специальных параметров процесса, одиночный импульс устанавливался короче, а пауза между импульсами - длиннее. На фиг.10 представлен импульс длительностью 900 мкс, на протяжении которого генерируются 6 подымпульсов. В качестве паузы между импульсами выбиралось время 1100 мкс. Для этого случая можно было бы еще реализовать режим зажигания с исключительно прерывистыми импульсами. Для меньших длительностей импульсов и более длинных пауз между импульсами уже невозможно было бы обеспечить надежное зажигание. Однако специалисту очевидно, что измененные емкости, другие уровни отключения тока, различные газовые потоки (или их отсутствие), другие напряжения на конденсаторе и так далее влияют на эти границы самостоятельного зажигания и могут легко устанавливаться для соответствующих экспериментальных устройств.
Соответствующий изобретению способ был описан для катодного искрового испарения углерода, потому что в случае этого материала особенно трудно приводить в действие катодный искровой разряд, то есть предотвратить «заедание» на участке мишени. Но данный способ может также предпочтительным образом использоваться для других материалов. Это могут быть как элементарные металлические мишени, так и мишени, состоящие из нескольких материалов, как, например, мишени, изготовленные методом порошковой металлургии. Способ является особенно предпочтительным для материалов с низкой точкой плавления, потому что и в данном случае импульсный режим снижает образование брызг. Также для реактивных процессов в газах, которые содержат кислород, азот или углерод, этот способ можно предпочтительно применять для повышения ионизации и для снижения образования брызг.
За счет анода, расположенного центрированным образом относительно мишени, и пульсации тока искрового разряда, прежде всего в прерывистом режиме, может гарантироваться стабильный искровой разряд.
Прерывистый импульсный режим позволяет также осуществлять катодное испарение углеродных мишеней с металлическими компонентами до 50 атомных %.
Способ распределения одиночного импульса на пачку подымпульсов более высокой частоты следования и на протяжении более длительного времени позволяет осуществить прерывистый импульсный режим без дополнительного принудительного зажигания, как между плотно расположенными друг к другу подымпульсами, так и между отдельными импульсами.
Напряжение на конденсаторе (источник 6 питания) может изменяться в широких пределах с целью генерации более высоко заряженных ионов материала, испаряемого в катодном искровом разряде.
Повышенное разрядное напряжение в комбинации с быстрым, но ограниченным по току разрядом снижает частоту появления брызг в синтезируемых углеродных или углеродсодержащих слоях.
Способ представляет собой прерывистый импульсный режим искрового разряда, не требующий повторного зажигания.
На основе способа не требуется никакого DC удерживающего тока для искрового разряда.
В рамках этого описания раскрыт способ приведения в действие импульсного прерывистого искрового разряда, который осуществляется посредством разряда по меньшей мере одного конденсатора, и соответствующий разрядный ток управляется посредством периодического подключения и отключения конденсатора, причем при отключенном конденсаторе в течение временных интервалов отключения ток от источника питания не подается, а в течение временных интервалов подключения ток разряда при достижении предварительно установленной величины кратковременно прерывается, и это приводит к образованию подымпульсов в пределах импульса.
Предпочтительным образом первое множество временных интервалов отключения выбирается настолько коротким, что по их истечении подключение конденсатора без труда приводит к повторному зажиганию искрового разряда.
Предпочтительным образом первое зажигание искры осуществляется посредством устройства зажигания, особенно предпочтительно посредством DC источника постоянного напряжения, и после зажигания искрового разряда конденсатор впервые подключается. Конденсатор имеет предпочтительно к моменту времени первого подключения с помощью средств для заряда первое зарядное состояние, и исковой разряд затем приводится в действие при отключенном DC источнике постоянного напряжения.
Может иметься второе множество временных интервалов отключения в зависимости от средств для зарядки по меньшей мере одного конденсатора, которые выбираются такой длительности, что конденсатор по истечении второго множества временных интервалов отключения по существу достигает первого зарядного состояния.
Вышеописанный искровой разряд может использоваться для приведения в действие катодного искрового испарения.
Описан способ для нанесения покрытия на подложки, который имеет следующие этапы:
- предоставление подложек,
- помещение подложки в вакуумную камеру,
- откачка вакуумной камеры,
- выполнение катодного искрового испарения вышеописанного типа.
Посредством этого способа нанесения покрытия могут изготавливаться углеродные слои, не содержащие водорода и/или содержащие водород, и/или не содержащие металла и/или содержащие металл.
Перечень ссылочных позиций
1 Резервуар
2 Мишень (катод)
3 Анод (предпочтительно, но не обязательно центрирован относительно мишени)
4 Держатель подложки (поворотный)
5 Источник питания (искрового разряда) постоянного тока
6 Источник питания (искрового разряда) импульсного тока
7 Переключатель для коммутации IKD
8 Переключатель для коммутации IKP
9 Переключатель, чтобы переключать анод на массу или на плавающий потенциал
10 Защитные диоды
11 Механический палец зажигания
12 Сопротивление для ограничения тока между пальцем зажигания и анодом.