СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ИЗОЛИРУЮЩИХ СЛОЕВ
METHOD TO DEPOSIT ELECTRICALLY INSULATING LAYERS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к способу эксплуатации источника дуги согласно родовому понятию п.1 формулы изобретения.
Уровень техники
Из уровня техники известны различные способы для эксплуатации источников дуги, также известных как дуговые испарительные источники или искровые испарители, посредством комбинации из источника питания постоянного тока и импульсного источника питания.
Например, в ЕР 0666335 В1 предложено, чтобы для испарения хорошо проводящих материалов к дуговому испарителю, управляемому постоянным током, прикладывать импульсный ток. При этом реализуются импульсные токи до 5000 А, которые генерируются при относительно низких импульсных частотах в диапазоне от 100 Гц до максимум 50 кГц разрядами конденсатора. Тем самым при испарении чисто металлических мишеней должно существенно сокращаться каплеобразование. Для достижения различным образом создаваемых форм импульсов импульсного тока применяются отдельные разряды конденсаторов. При этом, например, при формировании прямоугольных образцов импульсов тока происходит очень кратковременное повышение напряжения разряда, которое, однако, не может поддерживаться постоянным, а вновь спадает, так как на основе низкого импеданса плазмы в искровом разряде немедленно возрастает ток искры, следствием чего является падение напряжения разряда конденсатора и, тем самым, напряжения искрового разряда. Несмотря на предполагаемый положительный эффект кратковременных пиков напряжения, не удается поддерживать высокое напряжение искрового разряда в течение длительных интервалов времени.
По сравнению с этим, из документов СН 01614/06 (10.10.2006) или US 11/548529 (11.10.2006) того же заявителя, которые настоящим объявляются в качестве составной части заявки, известны способы, которые дополнительно к способу, упомянутому в ЕР 0666335 В1, описывают импульсные искровые токи для испарения металлов в атмосфере реактивного газа, которые используются для формирования изолированных, в частности, оксидных слоев. В этом способе описано как предпочтительное воздействие импульса на сокращение пиков, так и на режим искровой мишени в атмосфере реактивного газа, в частности, в кислороде. Кроме того, эти заявки впервые детально останавливались на важности крутизны импульса напряжения, наложенного на напряжение искрового разряда. Предложенная заявка основывается на этом изобретении.
Представление изобретения
В основе изобретения лежит задача предоставить способ, в котором вышеупомянутые недостатки уровня техники преодолеваются и преимущества высокой ионизации искрового разряда могут связываться с преимуществами повышенного разрядного напряжения, при этом не происходит чрезмерная тепловая нагрузка искрового катода, в частности поверхности искрового катода. Эта задача решается соответствующими изобретению признаками отличительной части п.1 формулы изобретения.
При этом электрический искровой разряд поджигается и управляется на поверхности мишени, и искровой разряд управляется одновременно посредством постоянного тока и относительно низкого постоянного напряжения источника тока. Одновременно вводится выработанный посредством периодически прикладываемого сигнала напряжения импульсный ток, причем сигнальная форма сигнала напряжения по существу является свободно выбираемой.
В принципе существуют различные возможности преобразовывать искровой ток в импульсную форму и таким образом повышать напряжение искрового разряда.
Применение импульсного источника питания, который вырабатывает ток для искрового разряда, было бы с самого начала самым простым. Однако оказалось, что с помощью обычных генераторов уровня техники для коммутации/пульсирования высоких токов этот подход не приводит или приводит к недостаточному и не постоянному, по меньшей мере, для длительности прикладываемого сигнала, повышению напряжения искрового разряда. Нарастания напряжения являются недостаточно быстрыми, и более крутые фронты могут быть реализованы также не посредством более высоких частот, так как является затруднительным или невозможным, достичь их при высоких искровых токах порядка 100 А и выше. Таким образом, приложение подобного импульсного сигнала приводит только к короткому пику напряжения с малой амплитудой, который компенсируется посредством нарастания тока, соответствующего введенной мощности, и посредством плазменного импеданса, сниженного за счет быстрого повышения количества носителей заряда. Также комбинация двух отдельных источников тока, из которых один эксплуатируется в импульсном режиме, не приводит к каким-либо существенным улучшениям.
Согласно заявленному изобретению искровой ток может использоваться параллельной схемой импульсного источника напряжения, который может вырабатывать высокую мощность в импульсе, чтобы обеспечить желательную сигнальную форму сигнала напряжения. Как описано ниже более подробно, это может осуществляться, например, посредством соответственно быстрой временной последовательности нескольких разрядов конденсатора или посредством применения специальным образом сконструированного источника питающего напряжения.
Преимущества, обеспечиваемые изобретением, в числе прочего, можно усматривать в том, что за счет лучшего управления или возможности установления диапазонов тока/напряжения искрового разряда для различных материалов мишени и условий процесса могут устанавливаться рабочие диапазоны, при которых могут осаждаться слои с высокой скоростью покрытия, известной из искрового напыления, которые по сравнению с формированием путем распыления на поверхности изделия материала покрытия имеют заметно улучшенное качество.
Это справедливо не только для осаждения металлических слоев, но и, в частности, для синтеза слоев в реактивных процессах при одновременно высоких скоростях осаждения. Например, еще в большей степени ионизированный, чем при обычных процессах искрового разряда, пар мишени может реагировать также с, по меньшей мере, частично ионизированным или диссоциированным реактивным газом плазмы или реагировать на поверхности покрываемого изделия для образования соответствующего образующего слой соединения. Наряду с множеством известных соединений твердых материалов, таких как, например, нитриды, карбиды, карбонитриды, бориды, соединения кремния и другие соединения отдельных или нескольких переходных металлов IV, V и VI группы периодической системы элементов (согласно стандарту IUPAC 2005), а также алюминия, здесь нужно особенно подчеркнуть возможность изготавливать с помощью этого способа также оксидные слои или другие изолирующие слои. Особенно предпочтительным является этот импульсный способ при искровом напылении углерода. В этом материале катодная искра плохо отклоняется при чисто постоянном (DC) электропитании. Представляется, что наложение импульсов напряжения таким образом влияет на поведение эмиссии электронов, что устраняется «заедание» точки основания искры и могут осаждаться свободные от водорода плотные углеродные слои, как, например, ta-C. Под «заеданием» здесь понимается более длительное пребывание точки основания искры на очень малом участке поверхности мишени, что, особенно для углеродных мишеней, влечет за собой повреждение поверхности, увеличенное каплеобразование, а также снижение скорости нанесения покрытия.
Для изготовления смешанных кристаллов в корундовой структуре пригодны дуговые способы без использования или с использованием специально рассчитанного малого перпендикулярного магнитного поля и дуговые способы с наложением импульсов, а также общие способы, как, например, дуговые способы или способы напыления, при которых к источникам материала, таким как дуговые испарители или источники распыления, прикладываются импульсы высокого тока или накладываются на основной режим постоянного тока. Тем самым возможен режим в «отравленном» состоянии, или формирование легирования на мишени, если известные, обсуждаемые ниже более подробно граничные условия выполняются.
В способе с импульсным источником для изготовления, в частности, термически стабильных слоев смешанных кристаллов многократных оксидов в кристаллической решетке корундового типа, по меньшей мере, один дуговой источник одновременно запитывается постоянным током, а также импульсным или переменным током. При этом с помощью выполненного как легирующая мишень первого электрода дугового источника или источника распыления, а также с помощью второго электрода на деталь осаждается слой, причем источник одновременно запитывается постоянным током или постоянным напряжением, а также импульсным или переменным током или импульсным или переменным напряжением. При этом легирующая мишень соответствует, по существу, составу слоя смешанного кристалла. При этом предпочтительная частота импульсов находится в диапазоне от 1 кГц до 200 кГц, причем источник питания импульсным током также может эксплуатироваться с различным отношением длительности импульсов или паузами импульсов.
При этом второй электрод может быть размещен отдельно от дугового источника или в качестве анода дугового источника, причем первый и второй электроды могут работать при соединении с отдельными источниками импульсного тока. Если второй электрод работает не как анод дугового источника, то дуговой источник может быть связан или может эксплуатироваться с одним из следующих источников материала:
- дополнительным источником дугового распыления, который также соединен с источником питания постоянного тока;
- катодом источника распыления, в частности, магнетронным источником, который также соединен с источником тока питания, в частности с источником питания постоянного тока;
- тигелем испарения, который одновременно эксплуатируется как анод низковольтного дугового испарителя.
При этом питание постоянным током осуществляется главным током, так что плазменный разряд поддерживается, по меньшей мере, на дуговых источниках испарения, предпочтительно, однако, на всех источниках, по существу, без прерывания. При этом предпочтительным образом соответствующий из источника питания постоянного тока и импульсного источника питания, при развязке посредством развязывающего фильтра, содержит, по меньшей мере, один запирающий диод. При этом нанесение покрытия может осуществляться при температуре менее 650°С, предпочтительно менее 550°С.
В качестве альтернативы искровому напылению, формирование слоя, по существу, может осуществляться также путем разложения газообразных предшественников, если оптическое соединение между деталью и искровым источником прерывается, например, посредством диафрагм или других конструктивных мер. В качестве примера здесь можно назвать различные DLC- или алмазные слои, как описано, в числе прочего, в VDI 2840, Таблица 1, нитрид кремния, нитрид бора и подобные системы. Многие из этих слоев могут также осаждаться в комбинированных процессах, в которых одна часть образующего слой материала получается из газовой фазы, а другая часть - из плазмы катода распыления или искрового катода.
Кроме того, с помощью этого способа возможно с помощью установки высоты и крутизны фронтов периодически прикладываемого сигнала напряжения или игловидного импульса, образующего сигнал напряжения, контролировать эмиссию электронов искрового разряда. Она будет тем сильнее, чем выше сигнал напряжения или игловидный импульс, или чем круче соответствующий фронт нарастания напряжения.
Если электрический искровой разряд приводится в действие постоянным током и импульсным током, формируемым периодически прикладываемым сигналом напряжения, является предпочтительным выбирать частоту сигнала напряжения между 1 Гц и 200 кГц, предпочтительно между 10 Гц и 50 кГц. Сигнальная форма сигнала напряжения может при этом быть пилообразной, многоугольником, трапецией, причем прямоугольная форма для многих применений является предпочтительной, ввиду обеспечиваемого этим особенно быстрого нарастания напряжения на полную высоту амплитуды и нахождения на этом уровне напряжения PV в течение всей длительности Тр импульса.
Сигнал напряжения или генератор напряжения может также эксплуатироваться с импульсами с промежутками, то есть с длительностью импульса, которая меньше, чем половина длительности периода рабочей частоты.
На основе высокой степени ионизации плазмы, сформированной искровым разрядом, и тем самым достаточного числа имеющихся носителей заряда, ток нарастает сразу же или лишь с задержкой в диапазоне нескольких микросекунд. Однако, так как транспорт зарядов, с одной стороны, в плазме осуществляется как посредством электронов, так и посредством ионов, а последние имеют некоторую инерционность, а с другой стороны, определенную роль играют и другие сопротивления, как, например, импеданс кабеля в цепи искрового тока, ток не сразу же в той же мере отслеживает импульсный сигнал напряжения. Этот эффект может в предложенном способе использоваться таким образом, что прикладываются сигналы напряжения с очень высокой амплитудой, которые без временного ограничения длительности импульса или игловидных сигналов, как описано ниже более подробно, быстро могли бы привести к спаданию напряжения, перегрузке генератора напряжения, формированию опасных электрических пробоев, повреждению поверхности мишени, прерыванию процесса или тому подобным нежелательным явлениям. Альтернативно или в качестве дополнительной меры безопасности, для ограничения нарастания тока посредством частоты импульса или игловидного импульса, опасное нарастание тока также осуществляется посредством отключения сигнала напряжения при превышении определенного порога тока. В обоих случаях, по мере необходимости и специалистом для соответствующего случая использования, например, путем установки соответствующих постоянных времени импульса напряжения, согласованные паузы импульсов реализуются, например, посредством вышеупомянутого режима с промежутками, чтобы оптимизировать ход изменения сигналов для процессов с, например, различным материалом мишени или различным составом газа процесса.
При этом предпочтительным образом сигнальная форма образуется посредством результирующей последовательности игловидных импульсов, которая, например, формируется посредством управляемого во временной последовательности разряда отдельных конденсаторов. Крутизна фронтов игловидных импульсов должна при этом составлять, по меньшей мере, 0,5 В/мкс, предпочтительно, по меньшей мере, 2 В/мкс и определяет, таким образом, крутизну сигнала напряжения, образованного результирующей. Последовательность или длительность игловидных импульсов может устанавливаться в пределах от 0,1 кГц до 1 МГц или от 10 мс до 1 мкс, но предпочтительно от 1 кГц до 500 кГц или от 1 мс до 2 мкс. Как уже упомянуто, особенно предпочтительным является выбирать игловидные импульсы таким образом, что результирующая имеет квазистационарный ход изменения напряжения в течение длительности импульса Тр, то есть имеет примерно прямоугольную форму, чтобы на длительности импульса могли поддерживаться желательные процессы эмиссии на катоде.
Абсолютная высота игловидного импульса или сигнала напряжения должна при этом превышать приложенное постоянное напряжение на, по меньшей мере, 10%, предпочтительно, по меньшей мере, на 30%, чтобы достичь желательных эффектов высокой ионизации.
Преимущество такой последовательности разрядов конденсаторов состоит в том, что могут быть реализованы очень высокие мощности импульсов, например несколько сотен кВт на импульс. По сравнению с этим искровые мишени в режиме постоянного тока эксплуатируются с типовой мощностью от 5 до 10 кВт. Высокочастотное наложение на него импульсов высокой мощности только из одного разряда конденсатора привело бы к перегрузке источника и/или других частей устройства и также не гарантировало бы желательную стабильность напряжения на длительности импульса. Поэтому целесообразными являются высокоэнергетичные разряды конденсаторов для диапазонов частот до 10, максимум до 50 кГц. Разряд конденсаторов меньшей емкости и их временная последовательность могут, однако, как ясно специалисту, также осуществляться с более высокой частотой.
В качестве альтернативы такие сигналы напряжения или соответствующая последовательность игловидных импульсов также могут обеспечиваться одним или более источниками питающего напряжения, свободно регулируемыми в отношении длины сигнала, частоты сигнала, амплитуды напряжения, пауз между импульсами и/или сигнальной формы, если они выполнены с возможностью выдачи импульсных сигналов напряжения с высокой крутизной импульсов. Такой источник питающего напряжения описан, например, в WO_06099759. Соответствующая заявка, особенно описание применения подобного источника питающего напряжения, названного там генератором вакуумной плазмы, от стр.14, 2-й абзац до стр. 17 снизу, поэтому указывается как составная часть настоящей патентной заявки. С помощью подобного генератора также возможно реализовать крутизну фронтов от 0,1 В/нс до 1,0 В/нс.
Применение таких источников питающего напряжения рекомендуется особенно в том случае, если должны применяться высокие частоты импульсов, например, между 10 и 200 кГц. При этом надо помнить, что использование импульсного источника напряжения или источника питающего напряжения всегда является компромиссом между достижимой энергией импульса и возможной частотой.
Чтобы термическое возбуждение поверхности мишени дополнительно повысить, делались также отдельные опыты с неохлажденными или с нагретыми мишенями, и материал напылялся в кислороде от почти до красна раскаленной поверхности мишени. Также изготовленные таким способом слои демонстрируют кристаллическую решетку типа корунда. Одновременно при таких процессах на основе нарастания напряжения разряда устанавливается повышение импеданса плазмы, которое можно объяснить повышенной эмиссией электронов раскаленных поверхностей в комбинации с повышенным давлением пара материала мишени, и дополнительно усиливается за счет импульсов тока источника.
Другая возможность для изготовления соответствующих изобретению оксидных слоев заключается в использовании разряда высокой мощности с, по меньшей мере, одним источником. Он может формироваться с использованием источников питания импульсного тока или импульсного напряжения с крутизной фронтов импульсов, лежащей, по меньшей мере, в диапазоне от 0,2 В/нс до 2,0 В/нс, предпочтительно в диапазоне от 0,1 В/нс до 1,0 В/нс. При этом прикладываются токи, по меньшей мере, 20 А, предпочтительно, однако, равные или больше, чем 60А, при напряжениях между 60 и 800 В, предпочтительно между 100 и 400 В, на или дополнительно к напряжению и току одновременно используемого разряда постоянного тока. Эти игловидные импульсы напряжения могут, например, вырабатываться посредством одного или более каскадов конденсаторов, что наряду с различными другими преимуществами также позволяет разгрузить источник питания основного тока. Однако предпочтительным образом генератор импульсов включен между двумя одновременно эксплуатируемыми на постоянном токе источниками дуги. Неожиданным образом удалось посредством применения игловидного импульса в дуговом способе повысить напряжение источника в течение нескольких мкс в зависимости от высоты приложенного сигнала напряжения, в противоположность чему импульсы с меньшей крутизной фронтов проявляются, как ожидалось, только в повышении тока источника.
2
3
Как показали первые опыты, с такими разрядами высокого тока также возможно из источников напыления с легирующими мишенями изготавливать оксидные многократные оксиды в кристаллических структурах корунда, эсколаит (CrO) или сравнимых кристаллических структурах, что, предположительно, может объясняться повышенной плотностью мощности на поверхности мишени и обусловленным этим сильным повышением температуры, также здесь могло бы быть предпочтительным применение неохлажденных или нагретых целей, как описано выше. Разряд высокой мощности демонстрирует для таких процессов, как для дуговых разрядов высокой мощности, так и распылителей высокой мощности, сходные характеристики, как они соответствуют аномальному тлеющему разряду, известному из диаграммы тока-напряжения Таундсена.
В принципе возможны различные меры для повышения импеданса плазмы или поверхности мишени. Это может, как описано выше, осуществляться посредством наложения игловидных импульсов, посредством нагрева поверхности мишени или посредством комбинации указанных мер. Под нагревом здесь понимается наложение напряжения разряда постоянного тока с игловидными импульсами, причем временное наложение игловидных импульсов, в смысле последовательности игловидных импульсов, которые, по меньшей мере, частично перекрываются, не исключается. Для специалиста понятно, что для достижения особенно высоких мощностей также два или более конденсаторов могут одновременно разряжаться и, таким образом, образовывать особенно высокий игловидный импульс.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение описывается с помощью чертежей, которые представляют только различные формы выполнения представленного изобретения и на которых показано:
Фиг.1 - установка искрового нанесения покрытия с источником питания постоянного тока и импульсного тока;
Фиг.2 - установка искрового нанесения покрытия с источником питания постоянного тока и импульсным конденсатором;
Фиг.3 - схематичная характеристика напряжения;
Фиг.4 - схематичная характеристика напряжения/тока;
Фиг.5 - измеренная характеристика напряжения/тока.
Представленная на фиг.1 установка 1 вакуумной обработки показывает устройство для использования дугового источника с комбинированным генераторным блоком 16, который содержит источник питания 13 постоянного тока и включенный параллельно ему импульсный источник 15 напряжения, в данном случае источник 15 питающего напряжения, чтобы на постоянный ток наложить импульсный сигнал напряжения. Эта схема обеспечивает возможность стабильной работы реактивного искрового напыления также для изолированных слоев, при котором во временном процессе внутренность установки 1, вспомогательный анод 10 и держатели 3 подложки или подложка покрываются изолирующим слоем. Установка 1 оснащена насосом 2 для получения вакуума, держателями 3 подложки для позиционирования и электрического контактирования не показанных подробно деталей, а также источником питания 4 током смещения для приложения так называемого напряжения подложки к детали. Последний может представлять собой источник питания постоянного тока, переменного тока или биполярного или однополярного напряжения подложки. Через, по меньшей мере, впускное отверстие 11 для технологического газа может подаваться инертный или реактивный газ, чтобы управлять давлением процесса и составом газа в камере обработки.
Компонентами собственно дуговой установки являются мишень 5 с элементом 7 поджига, а также анод 6, окружающий мишень 5. С помощью коммутатора 14 можно выбирать между плавающим режимом анода и положительного полюса источника электропитания 13 и режимом с определенным нулевым потенциалом или потенциалом массы. Кроме того, дуговой источник может также содержать магнитную систему 12 мишени, например, одну или более катушек и/или систему постоянных магнитов.
Другие факультативные признаки установки 1 вакуумной обработки включают в себя дополнительный источник 9 плазмы, в этом случае источник для выработки низковольтной дуги с горячим катодом, с впускным отверстием 8 для инертного газа, вспомогательный анод 10, а также здесь не показанный более подробно другой источник электропитания для управления низковольтной дугой между источником 9 плазмы и вспомогательным анодом 10 и, при необходимости, катушки 17 для магнитной фокусировки плазмы низковольтной дуги.
На фиг.2 импульсный источник напряжения состоит из, по меньшей мере, одного источника питания 18 напряжения заряда для заряда нескольких конденсаторов или набора конденсаторов 19 и соответствующих коммутаторов 20, которые при управлении во времени переключают конденсаторы 19 для заряда на источник питания напряжения заряда или, для выработки игловидного импульса, на источник дуги. Для простоты на фиг.2 показан только один конденсатор 19 и коммутатор 20, которые представляют соответствующую конфигурацию конденсаторов и коммутаторов. При этом источник питания 18 напряжения заряда предоставляет, например, постоянное напряжение между 100 и 1000 В, в то время как рабочее напряжение здесь также встроенного в генераторный блок 16 источника питания 13 постоянного тока находится в диапазоне обычных рабочих напряжений для генераторов искрового разряда от 10 до 100 В.
n
р
f
На фиг.3 показана возможная характеристика напряжения, которая может вырабатываться посредством соответствующего управления коммутатором 20. При этом количество разрядов конденсатора таким образом упорядочено друг за другом, что результирующая 21 игловидных импульсов 22, сформированных разрядами конденсаторов, генерирует сигнальную форму импульсного сигнала напряжения с импульсным напряжением PV. Идеализированная результирующая 21, которая, по существу, соответствует эффективному измеренному напряжению, проходит при игловидных импульсах одинаковой высоты на двух третях максимального игловидного напряжения, и может накладываться с пульсацией, обусловленной электрическими импедансами и промежутком между игловидными импульсами. Игловидные импульсы 22 здесь схематично показаны как треугольники и без промежутков. Разумеется, игловидные импульсы могут также иметь и другие формы и следовать друг за другом с промежутками. При этом импульсные сигналы напряжения накладываются на выработанный источником 13 питания постоянного тока низковольтный сигнал постоянного напряжения DV. За счет быстрого пакетоподобного следования друг за другом игловидных импульсов 22 длительности T, повышение напряжения PV-DV на продолжительном временном интервале Т, но, по меньшей мере, так долго может удерживаться стабильным, чтобы образовать среднечастотный импульсный сигнал длительностью T. При этом форма сигнала может варьироваться известным специалисту приложением игловидных импульсов различной высоты или длительности или посредством согласования разрядов конденсатора с импедансом искрового разряда. При прямоугольном сигнале нарастающий фронт 23 результирующей 21 может иметь ту же крутизну, что и у игловидных импульсов, если емкость отдельного конденсатора выбрана достаточно большой. В качестве альтернативы, что также известно специалисту, множество меньших конденсаторов может, соответственно, синхронно тактироваться, чтобы получить соответствующий сигнал напряжения.
f
n
При этом T может устанавливаться между 5 мкс и 1 с, предпочтительно между 20 мкс и 100 мс. При этом, как упомянуто, также возможен режим с промежутками. T может устанавливаться между 1 мкс и 100 мс, предпочтительно между 2 мкс и 1 мс. Если желательны очень короткие сигналы напряжения, то сигнал напряжения может быть образован посредством одного игловидного импульса. В этом случае имеет место формирование только одного пика напряжения. Преимущество предложенного способа, заключающееся в свободном установлении сигнальной формы, может, однако, использоваться только за счет минимальной последовательности из 3, предпочтительно 5, в особенности 10 игловидных импульсов на каждый сигнал напряжения. При этом время, в течение которого, например, при применении прямоугольного импульса может быть приложено полное импульсное напряжение, составляет, по меньшей мере, 3, 5 или 10 мкс, предпочтительно, по меньшей мере, 6, 15 или 30 мкс. Максимальная длительность может устанавливаться при временном тактировании, например, с половинной частотой сигнала напряжения.
Подобным образом, также при питающем напряжении, как, например, описано в WO_06099759, можно реализовать очень крутые, хорошо определенные сигналы напряжения, которые также могут составляться из пакета следующих друг за другом игловидных импульсов, чтобы обеспечить соответствующее повышение напряжения искрового разряда.
р
n
На фиг.4 показана принципиальная характеристика напряжения/тока для функционирования таких параллельно включенных импульсных источников напряжения. Фиг.4А показывает по аналогии с фиг.3, без подробных деталей формирования результирующей 21, характеристику напряжения для напряжения искрового разряда, получаемую посредством источника питания 13 постоянного тока (пунктирная линия) и источника импульсного напряжения 15 или 18-20 (сплошная линия). Фиг.4 показывает соответствующую характеристику тока. При этом нарастание тока искрового разряда осуществляется практически непосредственно при приложении импульсного сигнала высоты PV посредством импульсного источника напряжения и, тем самым, повышает разрядный ток, протекающий через плазму искрового разряда. Здесь следует заметить, что на фиг.4 и 5 представлены не суммарные кривые разрядного тока, а отдельно показаны кривые токов, выработанных импульсным источником напряжения (сплошная линия) и, соответственно, источником питания 13 постоянного тока (пунктирная линия). В то время как искровое напряжение очень быстро достигает номинального значения, которое по длине импульса может поддерживаться практически стационарным, ток искрового разряда нарастает квазилинейно на всей длительности импульса с заметно меньшей крутизной, которая определяется импедансом кабеля и другими сопротивлениями контура тока искрового разряда. Ток искрового разряда при этом не переходит в насыщение, как это можно ожидать также в соответствии с диаграммой Таундсена. Только отключение импульса напряжения и спадание напряжения искрового разряда приводит к спаданию тока искрового разряда. В принципе можно также с импульсными источниками напряжения, которые включены параллельно источнику питания тока искрового разряда, осуществить квазистационарные повышения напряжения для напряжения искрового разряда. Крутизна и значение превышения напряжения в импульсном режиме зависят при этом от различных параметров, таких как, например, импеданс кабеля, импеданс разряда, материал мишени и т.д. Крутизна импульса и амплитуда повышения напряжения оказывают также взаимное влияние. Чем круче может быть сформирован импульс напряжения, тем больше возможное превышение напряжения на основе относительной инерционности нарастания тока. В любом случае, из фиг.4 ясно, что длительность импульса не может быть неограниченно длинной, так как превышение напряжения приводит к отслеживанию этого током искрового разряда, что обычно при достижении порогового значения, которое также называется током короткого замыкания, приводит к автоматическому отключению источника питающего напряжения. Также этот автоматический момент отключения может, наряду с ограничением на длине импульса T сигнала напряжения, длине T или последовательности и конфигурации игловидных импульсов, использоваться для того, чтобы управлять нарастанием тока и связанными с этим процессами напыления на искровом катоде.
pulse
pulse
DC
pulse
Фиг.5 показывает кривую тока-напряжения, полученную во время описанного ниже процесса импульсного нанесения покрытия, с периодически прикладываемым от источника 15 импульсного напряжения сигналом напряжения U и соответствующим импульсным током I, который накладывается на постоянный ток I из источника питания 13 постоянного тока. И здесь можно видеть, что импульсный ток I также после достижения импульсного напряжения PV нарастает до тех пор, пока импульс не будет отключен. Превышение напряжения по отношению к режиму постоянного тока в этом случае составляет примерно 20 В.
2
3
2
3
Показанные кривые тока-напряжения были получены при осаждении AlO или (Al,Cr)O-слоев в Innova технологической системе фирмы Oerlikon Balzers при следующих условиях:
1. Технологические параметры для искрового напыления для изготовления окиси алюминия:
Поток кислорода
400 sccm
Технологическое давление
1Ч10<sup>-2</sup> мбар
Ток DC источника Al-мишень
100 А
Ток импульсного источника Al-мишень
100 А при 50 кГц
10 мкс импульс/10 мкс пауза
Смещение подложки
-40 В
DC импульсный или АС
(соответственно 50-350 кГц)
Температура подложки
примерно 500°С
Время процесса
от 60 до 120 мин
отдельные опыты с 360 мин
Время нарастания нарастающего фронта 23 результирующей импульса напряжения было измерено при этом равным примерно 6 В/мкс.
2. Технологические параметры для искрового напыления для изготовления смешанных кристаллов окиси алюминия/хрома в структуре корунда:
Поток кислорода
1000 sccm
Технологическое давление
2,6Ч10<sup>-2</sup> мбар
Ток DC источника Al<sub>0,7</sub>Cr<sub>0,3</sub>
120 А
Ток импульсного источника Al<sub>0,7</sub>Cr<sub>0,3</sub>:
100 А при 30 кГц
8 мкс импульс/25 мкс пауза
Ток катушки магнитного поля источника, тип Oerlikon Balzers MAG 6, был установлен на 0,5 А. Тем самым на поверхности мишени вырабатывалось, по существу, перпендикулярное слабое поле примерно 2 мТ (20 Гс).
Смещение подложки
U=-60 В (биполярное, 36 мкс отрицательное, 4 мкс положительное)
Температура подложки
примерно 550°С
Время процесса
от 60 до 120 мин
Время нарастания нарастающего фронта 23 результирующей импульса напряжения было измерено при этом равным примерно 2 В/мкс.
За счет соответствующего согласования импульсного питающего напряжения, например, посредством выбора очень коротких кабельных соединений с источником искрового разряда могли быть реализованы значения крутизны до 100 В/мкс.
Перечень ссылочных позиций
1 установка искрового нанесения покрытия
2 вакуумный насос
3 держатель подложки
4 источник питания импульсного смещения
5 мишень
6 анод
7 устройство поджига
8 камера ионизации
9 нить
10 вспомогательный анод
11 впускное отверстие для газа
12 магнитная система мишени
13 источник питания постоянного тока
14 коммутатор массы
15 источник питания импульсного напряжения
16 генераторный блок
17 катушка
18 источник питания напряжения разряда
19 конденсатор
20 коммутатор импульса
21 результирующая
22 игловидный импульс
23 нарастающий фронт