УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ОДНОРОДНОЙ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВАКУУМНЫХ КАМЕРАХ БОЛЬШИХ ОБЪЕМОВ

Полезная модель относится к технике получения плазмы для технологических целей, в частности к устройствам генерации однородно распределенной низкотемпературной плазмы инертных и реакционных газов в больших вакуумных объемах технологических установок и может быть использована в ионно-плазменных технологиях очистки, активации, травления, ионно-плазменного легирования поверхности изделий перед напылением покрытий, плазменно-иммерсионной имплантации, ионно-плазменного ассистирования в процессе напыления покрытий, а также в источниках пучков ионов газов большого сечения.
Известны различные системы получения газоразрядной плазмы для технологических применений. Для создания низкотемпературной газоразрядной плазмы в больших объемах наиболее часто используются тлеющий и высокочастотный разряды. Однако в технологиях обработки изделий значительных размеров с использованием рабочих вакуумных камер больших размеров такие разряды имеют ряд недостатков, которые снижают эффективность их применения. Во-первых, повышенное давление существования тлеющего разряда (1-15 Па) приводит к образованию на обрабатываемой поверхности изделий слоя окислов и загрязнений из атмосферы остаточных газов, а вследствие низких значений плотности и температуры заряженных частиц плазмы тлеющего разряда процессы очистки, травления, азотирования и т.д. происходят неэффективно. Во-вторых, использование тлеющего разряда предполагает применение высоких потенциалов (1-2 кВ), что является опасным фактором для жизни обслуживающего персонала и усложняет схемы электропитания установок.
Использование высокочастотного разряда в технологиях ионно-плазменной обработки в больших вакуумных объемах также имеет ограничения, вследствие низкого КПД и высоких энергетических затрат для получения плазмы необходимой плотности, сложности оборудования и техпроцесса, наличия сильных электромагнитных полей, представляющих опасность для жизнедеятельности человека.
С целью повышения плотности плазмы в больших объемах, снижения рабочих давлений, обеспечения управляемости технологическим процессом в широких диапазонах регулировки плотности плазмы и повышения эффективности обработки изделий в больших плазменных объемах наиболее предпочтительным типом разряда является несамостоятельный дуговой разряд с термоэмиссионным катодом.
Известны устройства [1. Форрестер А.Т. Интенсивные ионные пучки. М.: Мир, 1992, с.157; 2. Москалев Б.И. Разряд с полым катодом. М.: Энергия, 1969, с.164-169], использующие дуговой разряд с полым самонакаливающимся катодом, состоящие из полого катода диаметром 3-10 мм из тантала, помещенного в продольное магнитное поле, и цилиндрического медного анода, расположенного на одной оси с катодом. Такие устройства обеспечивают токи разряда от 30 до 200 А и, соответственно, высокую концентрацию газоразрядной плазмы. Однако, фактором, усложняющим данные устройства, является то, что для возбуждения дугового разряда в таких устройствах необходимо обеспечить следующие жесткие требования: поддерживать достаточно высокое давление в полом катоде (несколько десятков Па), создать высокий поток газа через катод и магнитное поле со значением индукции в полости катода превышающим 0,01 Т, а также должна быть создана предварительная ионизация газа в разрядном промежутке от внешнего ионизатора.
Известны ионные источники [3. Kaufman H.R. et all. Journal Vacuum Science and Technology, 1982, v.21, p.725; 4. Габович М.Д. и др. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. М.: Энергоатомиздат, 1986. с.53], в которых плазма, эмитирующая ионы, создается разрядом с термоэмиссионным катодом и цилиндрическим или кольцевым анодом. Для удержания электронов в разряде и повышения эффективности ионизации в этих устройствах используются магнитные поля, создаваемые соленоидом или постоянными магнитами. Характерным примером устройств такого типа является разрядная система генератора плазмы [5. Varga I.K. Journal Vacuum Science and Technology A, 1989, v.7(4), p.2639], состоящая из термокатода и цилиндрического анода, помещенных в продольное магнитное поле. В такой системе электроны, образованные в результате ионизации атомов газа первичными электронами, эмитируемыми термоэмиссионным катодом и ускоренными в прикатодном падении потенциала, имеют возможность диффундировать поперек линий магнитного поля и оседать на аноде. Данное обстоятельство можно рассматривать как эффект потери ионизационно способных электронов из разряда, который приводит к нестабильному горению разряда при низких давлениях с низкой плотностью генерируемой плазмы в рабочем объеме и необходимости использования дополнительного источника напряжения для зажигания разряда. В то же время известно, что в технологиях ионно-плазменной обработки изделий создание плотной плазмы вблизи обрабатываемой поверхности при низких давлениях позволяет обеспечить высокие производительность и качество процессов очистки, травления, ионно-плазменного азотирования и плазмоассистированного напыления покрытий.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели, взятым за прототип, является устройство для создания низкотемпературной газоразрядной плазмы [6. Патент РФ №2116707, публ. 27.07.1998 г.]. В данном устройстве в качестве полого анода большого размера используется внутренняя поверхность вакуумной камеры, а в качестве катода - комбинированный катод, состоящий из термоэмиссионного катода и окружающего его полого цилиндрического катода, электрически соединенного с термоэмиссионным катодом. Вся конструкция комбинированного катода помещена в цилиндрический корпус, расположенный на одной из стенок вакуумной камеры и охваченный соленоидом для создания в области комбинированного катода магнитного поля. Определенное из экспериментов оптимальное соотношение между диаметром D и длиной L полого катода L=(3-4)D этого генератора плазмы связано с тем, что с увеличением длины, с одной стороны, происходит рост тока разряда, а с другой стороны, затрудняется зажигание разряда, что требует увеличения давления газа, необходимого для уверенного зажигания разряда. Еще одним принципиальным элементом конструкции устройства для создания газоразрядной плазмы является то, что выступающая внутрь за стенки вакуумной камеры часть полого катода имеет длину равную D.
3
-1
10
-3
3
Применение устройства - прототипа для создания низкотемпературной газоразрядной плазмы в технологиях вакуумной ионно-плазменной обработки изделий позволило повысить эффективность генерации плазмы и стабилизации горения дуги при низких давлениях, расширить технологические возможности плазменной обработки, увеличить производительность процессов и улучшить качество плазмоассистированных покрытий. Как заявляют авторы этого изобретения и показали эксперименты по генерации плазмы в вакуумной камере - аноде объемом 0,25 м с использованием разработанного устройства при давлении рабочего газа аргона 10 Па и токе разряда 100 А была создана плазма со средним значением концентрации 10 см и неоднородностью распределения по объему всей вакуумной камеры ±20% от среднего значения. Однако, в результате эксплуатации данного устройства было установлено, что неоднородность распределения плазмы, обеспечиваемая при его работе (±20% от среднего значения во всем пространстве вакуумной камеры объемом 0,25 м), имеет чрезмерно, а в некоторых случаях и недопустимо высокое значение, приводящее к неравномерности плазменной обработки (нагрева, активации, травления, легирования и плазмоассистированного напыления покрытий) изделий, находящихся в разных областях пространства рабочей вакуумной камеры, что обусловливает недостаточное качество технологических процессов.
Таким образом, задача разработки эффективного устройства для создания однородной газоразрядной плазмы в вакуумных камерах больших объемов остается по-прежнему актуальной.
Технический результат достигаемый предлагаемым устройством заключается в увеличении концентрации газоразрядной плазмы и однородности ее распределения в технологических вакуумных камерах больших объемов.
Для достижения указанного технического результата предлагаемое устройство для создания однородной газоразрядной плазмы в технологических вакуумных камерах больших объемов содержит, как и прототип, вакуумную камеру - анод устройства, на одной из стенок этой камеры расположен корпус, в котором размещены электрически соединенные внутренний термоэмиссионный катод и охватывающий его полый катод, а также средство для создания в области катодов продольного магнитного поля. В отличие от прототипа полый катод имеет форму усеченного конуса, направленного своей расширенной частью в вакуумную камеру.
Целесообразно чтобы значение конусности K=(D-d)/L полого катода, определяющее соотношение между диаметрами большего D и меньшего d сечений конуса полого катода и его длиной L, лежало в диапазоне К=0,15-0,4.
3
На чертеже представлена схема примера выполнения конструкции предложенного устройства для создания однородной газоразрядной плазмы. Устройство содержит полый катод 1 круговой конической формы (длиной L=500 мм, диаметром большего сечения - выходного отверстия D=180 мм, диаметром меньшего сечения d=80 мм). Полый конический катод 1 электрически соединен с термоэмиссионным катодом 2, размещенным внутри полого конического катода 1. Полый конический катод 1 помещен внутрь цилиндрического корпуса 3, выполненного из немагнитного материала и соединенного с технологической вакуумной камерой 4. Вакуумная камера 4 является анодом устройства, для чего соответствующим образом подключена к источнику питания. Снаружи цилиндрический корпус 3 охвачен средством для создания в области катодов продольного магнитного поля, выполненным в виде соленоида 5. Соленоид 5 создает в области катодов продольное магнитное поле с индукцией 0,02 Т. Термоэмиссионный катод 2 изготовлен из вольфрамовой проволоки диаметром 1,5-2 мм. Рабочий газ (аргон, азот и др.) с расходом 200-1000 смат/ч поступает в катодную полость через отверстие 6. В технологической вакуумной камере 4 размещены обрабатываемые изделия 7. Электропитание накала термоэмиссионного катода 2 осуществляется от источника накала 8, а электропитание дугового газового разряда - от выпрямителя 9.
Устройство для создания однородной газоразрядной плазмы работает следующим образом. При подаче электропитания накала к термоэмиссионному катоду 2, постоянного напряжения к разрядному промежутку катод - вакуумная камера - анод от источника накала 8 и выпрямителя 9 соответственно и установлении напуска рабочего газа, эмитируемые термоэмиссионным катодом 2 электроны ионизируют газ, и, вследствие провисания потенциала в полость конического полого катода 1, возникает эффект полого катода, состоящий в образовании катодного падения потенциала у внутренних стенок катодной полости. Электроны, отражаясь от потенциального барьера, совершают колебательные движения в полости и эффективно ионизируют газ. Ионы, ускоренные в прикатодном слое положительного пространственного заряда, бомбардируют поверхность внутренних стенок катодной полости, вызывая эмиссию вторичных электронов, которые усиливают ионизацию газа. Расширяющаяся плазма создает условия для зажигания дугового разряда между коническим полым катодом 1 и стенками вакуумной камеры 4, которая является полым анодом. Таким образом, вакуумная камера 4 заполняется однородной плазмой. Так как площадь полого катода 1 значительно больше площади термоэмиссионного катода 2, также как и в устройстве - прототипе, была достигнута достаточная эффективность генерации плазмы с уменьшением эрозии термоэмиссионного катода 2 - элемента, определяющего срок непрерывной работы устройства, и с максимально сниженной вероятностью перехода диффузной формы разряда в контрагированную с большим расходом материала катода.
-2
Экспериментально определенное оптимальное значение конусности полого катода 1 K=(D-d)/L=0,15-0,4 связано с тем, что уменьшение конусности (например, увеличение длины полого катода 1 при неизменных диаметрах большего и меньшего его концов), с одной стороны, приводит к росту тока разряда и эффективности генерации плазмы, а с другой стороны, приводит к ухудшению однородности распределения плазмы по объему рабочей вакуумной камеры и затрудненному зажиганию разряда, требующего повышения давления рабочего газа и напряжения на разрядном промежутке (см. таблицу). Приведенные в таблице значения токов разряда и значений напряжения его горения получены при токе накала катода 140 А и давлении рабочего газа (аргон), равном 6·10 Па. Результаты экспериментов, обозначенные в таблице графой «без полого катода», были получены при отсутствии полого катода 1.
В отличие от устройства - прототипа, где применяется полый катод цилиндрической конфигурации, применение в предлагаемом устройстве полого катода конической формы обусловливает возникновение угла отличающегося от 90° между векторами электрического поля в катодном падении потенциала и направленного вдоль оси устройства магнитного поля В. Благодаря этому, электроны, эмитированные внутренней катодной поверхностью конической формы и ускоренные в прикатодном ионном слое, приобретают составляющую скорости параллельную В. В результате все быстрые электроны принудительно направляются к выходному концу конического полого катода 1, что приводит к дополнительному увеличению тока разряда и концентрации генерируемой плазмы, а также эффективности и однородности ее генерации.
3
Эксперименты по генерации газоразрядной плазмы в такой же, как и в прототипе, технологической вакуумной камере 4 объемом 0,25 м и в таких же, как и в прототипе, условиях показали, что с применением предлагаемого устройства была создана плазма аргона с такой же как и в прототипе концентрацией, но с неоднородностью распределения по всему объему вакуумной камеры не хуже ±5% от среднего значения ее плотности, в отличие от значения этой величины ±20%, достигнутого в прототипе. Полученный результат предлагаемого изобретения позволит уменьшить время, повысить производительность и улучшить качество процессов плазменной обработки в больших вакуумных технологических объемах.
Полезная модель позволит повысить однородность распределения генерируемой газоразрядной плазмы в технологических вакуумных камерах большого объема, а также эффективность и управляемость процессов очистки, активации, травления, ионно-плазменного легирования поверхности изделий перед напылением покрытий, плазменно-иммерсионной имплантации, ионно-плазменного ассистирования в процессе напыления покрытий в условиях высокопроизводительного производства.
Таблица
Значение конусности полого катода К
Ток разряда, А
Напряжение горения, В
Давление зажигания разряда, ×10<sup>-2</sup> Па
Неоднородность распределения плотности плазмы по рабочему объему вакуумной камеры, в % от среднего значения плотности
Без полого катода
15
74
1
2
0,4
25
68
4
3
0,3
32
64
7
4
0,2
46
59,5
15
5
0,14
54
57
100
6