ИСТОЧНИК ФИЛЬТРОВАННОЙ ПЛАЗМЫ ВАКУУМНОЙ ДУГИ
FILTERED VACUUM ARC PLASMA SOURCE

Изобретение относится к ионно-плазменной обработке материалов и, в частности, к источникам фильтрованной плазмы вакуумной дуги, применяемых для такой обработки.
Вакуумно-дуговые методы осаждения покрытия и поверхностного модифицирования материалов в последние десятилетия получили широкое признание в производстве инструментов, в машиностроении и приборостроении. Основные преимущества этих процессов обусловлены возможностью формирования с их помощью многочисленных видов покрытий и поверхностных слоев, в том числе и таких, которые не могут быть получены никаким другим известным способом. Сущность и области применения вакуумно-дуговых методов формирования покрытий и поверхностного модифицирования материалов изложены в работах: «Principles and Applications of Vacuum Arc Coatings» by R.L.Boxman, IEEE Trans, on Plasma Sci., Vol.17, No 5, October 1980; "Metal Plasma Immersion Ion Implantation and Deposition: a review" by A.Anders, Surface and Coating Technology, 93 (1997) p.158-167.
Однако присутствие макрочастиц катодного материала в плазме вакуумной дуги ухудшает качество обрабатываемой поверхности и синтезируемых покрытий. Это препятствует более широкому применению рассматриваемых технологий. Прежде всего это касается таких областей, как микроэлектроника, оптика, точная механика, медицина (хирургический инструментарий, протезирование). Проблемы, связанные с физикой процессов генерирования и переноса макрочастиц, а также с методами подавления потоков макрочастиц на пути их следования от катода до обрабатываемой поверхности, рассмотрены в работе "Macropaticle contamination in cathodic arc coating: generation, transport and control" by R.L.Boxman and S.Goldsmith, Surface and Coating Technology, 52 (1992) p.39-50.
Наиболее эффективная очистка плазмы, генерируемой катодным пятном вакуумной дуги, достигается с помощью магнитных фильтров. Действие этих фильтров основано на пространственном разделении траекторий заряженных компонентов плазмы (ионов) и траекторий макрочастиц. Между подложкой (обрабатываемым объектом) и катодом плазменного генератора, эмитирующим плазменные потоки с макрочастицами, размещают некое препятствие, устраняющее прямую видимость между катодом и подложкой. Таким препятствием могут служить, например, специальный экран или стенки изогнутого трубчатого плазмовода. В такой системе ионы, используемые для обработки подложки, с помощью электромагнитных полей направляются в обход препятствия на выход системы и далее к подложке, а тяжелые слабозаряженные макрочастицы и нейтральные атомы на магнитные и электрические поля не реагируют и, двигаясь по прямолинейным траекториям, перехватываются упомянутым экраном или стенками плазмовода.
Известен источник вакуумно-дуговой плазмы, содержащий цилиндрический или конический катод с рабочей торцевой поверхностью, испаряемой катодным пятном дуги, трубчатый цилиндрический анод, катодную катушку, которая охватывает катод и служит для создания магнитного поля, удерживающего катодного пятно на рабочем торце катода, а также анодный соленоид, охватывающий анод и служащий для магнитной фокусировки плазменного потока, эмитируемого катодным пятном [I.I.Axenov (Aksenov) et al., US Patent No. 4551221, 1985]. В этом источнике, вследствие того, что практически вся ионная компонента направляется фокусирующим магнитным полем на выход источника, а макрочастицы, двигаясь преимущественно в радиальном направлении, перехватываются стенками анода, концентрация макрочастиц в выходном потоке плазмы значительно снижена в сравнении с плазменными источниками, не имеющими фокусирующего соленоида.
Более эффективное подавление потока макрочастиц достигается в устройстве, в котором на оси трубчатого анода или плазмовода размещен экран, который перехватывает ту часть потока макрочастиц, которая движется вдоль устройства к его выходу [I.I.Axenov (Aksenov) et al., US Patent No. 1176599, 1984]. Однако коэффициент пропускания полезной (ионной) компоненты плазмы в таком устройстве невелик вследствие больших потерь ионов на упомянутом экране.
Наиболее широкое распространение в производственной практике получили вакуумно-дуговые источники фильтрованной плазмы, в которых очистка эрозионной плазмы от макрочастиц осуществляется при прохождении ее вдоль криволинейного плазмовода [I.I.Aksenov et al., "Transport of plasma stream in a curvilinear plasma-optics system", Soviet Jornal of Plasma Physics, 4 (4), 1978, p 425-428]. Заряженные частицы - электроны и ионы - в таких устройствах транспортируются вдоль плазмовода магнитным полем катушек, размещенных равномерно по длине плазмовода, а тяжелые слабозаряженные макрочастицы на магнитные и электрические поля не реагируют и, двигаясь по инерции по прямым траекториям, неизбежно сталкиваются со стенками плазмоведущего канала. Вследствие того, что значительное количество макрочастиц при столкновении со стенкой не прилипает к ней и не полностью теряет свою кинетическую энергию даже после нескольких таких столкновений, заметная часть макрочастиц попадает на выход из плазмовода и на подложку. Количество таких рикошетирующих макрочастиц на выходе плазмовода существенно уменьшается, если на стенках плазмовода размещены перехватывающие экраны, например, в виде системы плоских ребер. Система таких экранов служит ловушкой микрочастиц.
Эффективность очистки плазмы от макрочастиц криволинейным магнитным фильтром может быть повышена путем удлинения плазмоведущего канала, уменьшения его ширины и/или увеличением суммарного угла изгиба этого канала [Xu Shi et al., "Filtered Cathodic Arc Source", Int. Application No. PCT/GB/00389, Int. Pub. No. WO 96/26531; S.Anders et al., "S-shaped Magnetic Macroparticle Filter for Cathodic Arc Deposition", Proc. XVIIth Int. Symp.on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, Berkely, California, July 21-26, 1996, p.904]. Но при этом непременно возрастают потери ионной компоненты плазмы, ее поток на выходе сильно ослабевает, производительность системы снижается, а сложность и, соответственно, стоимость ее возрастает. В результате, возможность применения таких систем в производственной практике весьма ограничены.
Попытки повысить эффективность фильтров с криволинейными плазмоводами и упростить их конструкцию минимизацией длины и угла изгиба плазмоведущего канала при относительно большой площади поперечного сечения [V.I.Gorokhovsky, US Patent No. 5435900, 1995], а также путем применения простейшей магнитной системы в виде двух соленоидальных катушек, охватывающих соответственно два прямых трубчатых плазмовода, состыкованных под 45° один к другому [S.Falabella et al., US Patent No. 5279723, 1994], к желаемому результату не привели. Значительное конструктивное упрощение системы не сопровождается адекватным повышением ее эффективности. Это обусловлено тем, что упрощение магнитной системы ухудшает транспортирующие качества магнитного поля, в котором появляются участки с большими продольными и поперечными градиентами (магнитные «зеркала»), что затрудняет прохождение плазмы вдоль такого поля. Другим серьезным негативным последствием упомянутых упрощений является снижение фильтрующих качеств упрощенных систем.
Известен также вакуумно-дуговой источник плазмы, в котором содержатся цилиндрический катод с торцевой рабочей поверхностью, коаксиальный с катодом трубчатый анод, электроизолированный от анода плазмовод, образующий совместно с анодом криволинейный изогнутый под 45° плазмоведущий канал, и электромагнитные катушки, охватывающие катод, анод и плазмовод и размещенные вдоль всего плазмоведущего канала [P.J.Martin et al., US Patent No. 5433836, 1995]. Небольшой угол изгиба при равномерно распределенном вдоль канала магнитном поле обусловливает удовлетворительную эффективность прохождения ионной компоненты плазмы через фильтрующий канал: выходной ионный поток составляет 2,5 А при токе дуги 100 А. Дальнейшее повышение эффективности ограничивается потерями ионов на стенках вследствие смещения плазменного потока в результате центробежного и градиентного дрейфов. Этим явлением непременно сопровождается прохождение плазмы вдоль криволинейного магнитного поля. Таким образом, основная часть потерь плазмы приходится на криволинейную часть плазмоведущего канала.
Частичная компенсация негативного влияния упомянутых дрейфов на прохождение плазмы вдоль фильтрующего плазмовода достигается применением в фильтре электроизолированных дополнительных электродов в виде пластин, размещаемых внутри плазмовода, с подачей на них положительного напряжения смещения от индивидуального источника питания [V.I.Gorokhovsky, U.S. Patent Application No. U.S. 2002/0007796 A1, 2002]. Однако эти меры не обеспечивают кардинального решения проблемы, но усложняют фильтрующую систему, сводя на нет прежние попытки ее упростить.
Кроме того, ни один из известных источников фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы не обеспечивает возможности формирования потока плазмы сложного состава с равномерным распределением концентрации компонентов по сечению путем смешения потоков, эмитируемых одновременно двумя и более генераторами. В известных устройствах [U.S. Patent Application No. U.S. 2002/0007796 A1, 2002] транспортировка плазмы от двух источников с разными материалами испаряемых катодов осуществляется в одном плазмоводе двумя параллельными путями, смещенными относительно друг друга в пространстве. Вследствие этого распределение концентрации катодных материалов по сечению суммарного плазменного потока и, следовательно, по поверхности подложки - различно (неоднородно).
Наиболее близким к заявляемому изобретению является источник фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы для осаждения тонких пленок по патенту США Jong-kuk Kim et al., No. US 6026763 A, C23C 14/34, 22.02.2000. Некоторое повышение эффективности магнитного плазменного фильтра в этом источнике достигается применением дополнительной электромагнитной катушки, размещаемой в области изгиба плазмовода фильтра с его выпуклой стороны. Однако проблема устранения или снижения дрейфовых потерь плазмы, в значительной мере определяющих эффективность фильтра, в источнике по упомянутому патенту также не решена.
Настоящее изобретение позволяет обеспечить решение нескольких проблем, идентифицированных в обсуждениях известных источников фильтрованной плазмы катодной дуги. Достижение улучшенной эффективности плазменного фильтра по выходному ионному току - частный аспект изобретения.
Краткое описание изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает ионно-плазменную обработку материалов и, в частности, улучшенный источник фильтрованной плазмы вакуумной дуги для такой обработки.
Задачей изобретения является создание источника с высоким качеством фильтрованной плазмы вакуумной дуги.
Другой задачей изобретения является создание источника с высоким качеством фильтрованной плазмы вакуумной дуги, в котором плазменный фильтр работает с улучшенной эффективностью транспортировки ионов.
Еще одной задачей изобретения является создание источника фильтрованной плазмы, имеющий низкие плазменные потери при фильтрации.
Задачей изобретения является также создание источника фильтрованной плазмы, имеющего более низкие плазменные потери дрейфа, чем другие источники, использующие тороидальные фильтры с поворотом на девяносто градусов.
Задачей изобретения является также создание источника фильтрованной плазмы, включающего ловушку для макрочастиц.
Задачей изобретения является также создание источника фильтрованной плазмы, более полезной для осаждения качественных покрытий: износостойких, антифрикционных, стойких к коррозии, стойких к эрозии, оптических, декоративных, электропроводящих и электроизоляционных.
Задачей изобретения является также создание источника фильтрованной плазмы, пригодного к применению для поверхностной модификации материалов путем облучения потоками электронов, металлических и газовых ионов.
Задачей изобретения является также создание источника фильтрованной плазмы, имеющего существенное уменьшение плазменных потерь дрейфа в криволинейной части плазмовода.
Задачей изобретения является также создание источника фильтрованной плазмы, имеющего высокую степень фильтрования плазмы от макрочастиц, поступающих с поверхности катода.
Задачей изобретения является также создание источника фильтрованной плазмы, обеспечивающего формирование плазменных потоков сложного состава с равномерным распределением соотношения компонент, генерируемых несколькими вакуумно-дуговыми генераторами плазмы с катодами из различных материалов.
Задачей изобретения является также создание источника фильтрованной плазмы, имеющего первую и вторую корректирующие катушки, охватывающие плазмовод.
Задачей изобретения является также создание источника фильтрованной плазмы, который также применяется, например, для поверхностной модификации материалов, электронного нагрева, ионной очистки, поверхностного насыщения путем ионной имплантации погружением в плазму.
Задачей изобретения является также создание источника фильтрованной плазмы, который является пригодным к применению в лабораторных и промышленных условиях.
Дополнительные задачи и признаки изобретения будут поняты из последующего описания, предмета изобретения и сопровождающих чертежей.
Эти и другие задачи изобретения решаются тем, что источник очищенной плазмы вакуумной дуги включает комбинации, состоящие из:
катодно-дугового источника электронов, ионов и других частиц, генерируемых дугой;
входного элемента плазмовода, расположенного коаксиально с катодом вакуумно-дуговым источником электронов, ионов и других частиц, генерируемых катодной дугой;
первой электрической магнитной катушки, расположенной на входе плазмовода, окружающей упомянутый входной элемент плазмовода и питаемой от регулируемого источника постоянного тока;
выходного элемента плазмовода, расположенного перпендикулярно входной части упомянутого плазмовода с катодно-дуговым источником электронов и ионов и упомянутой первой электрической магнитной катушкой плазмовода;
выходной электрической магнитной катушки, окружающей упомянутый выходной элемент плазмовода и питаемой источником постоянного тока с регулируемой величиной тока;
второй входной электрической магнитной катушки, окружающей входной элемент упомянутого плазмовода в местоположении поворота плазменного потока с противоположной стороны упомянутого выходного элемента плазмовода и питаемой источником регулируемой величины постоянного тока;
первая седловидная корректирующая магнитная катушка, расположенная вокруг входного элемента упомянутого плазмовода в месте поворота плазменного потока и продолжающаяся на выходной элемент упомянутого плазмовода и частично окружающая упомянутый выходной элемент плазмовода, смежный упомянутому входному элементу плазмовода;
вторая седловидная корректирующая магнитная катушка, расположенная вокруг упомянутого входного элемента плазмовода в месте поворота плазменного потока и продолжающаяся на выходной элемент упомянутого плазмовода и частично окружающая упомянутый выходной элемент плазмовода, смежный упомянутому входному элементу плазмовода.
Краткое описание чертежей
Вышеупомянутые задачи и преимущества изобретения станут более очевидными, при описании предпочтительных его воплощений с приложенными чертежами, на которых:
Фиг.1 представляет собой схематический чертеж источника фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы, соответствующего настоящему изобретению, с одним генератором плазмы и двумя включенными встречно катушками, выполняющими функции устройства для регулировки магнитного поля.
Фиг.2 представляет собой трехмерное изображение заявляемого источника плазмы на фиг.1.
На Фиг.3 показано распределение магнитных силовых линий в плазмоведущем канале источника плазмы известного типа с L-образным плазмоводом.
На Фиг.4 показано распределение магнитных силовых линий в плазмоведущем канале заявляемого источника плазмы в исполнении, схематически изображенном на Фиг.1.
Фиг.5 иллюстрирует размещение дополнительной магнитной катушки 24 напротив выходного плазмовода заявляемого источника плазмы на фиг.1.
Фиг.6а иллюстрирует распределение магнитных силовых линий в плазмоводе заявляемого источника плазмы (фиг.1), с использованием (фиг.5) дополнительной магнитной катушки 24, двух входных магнитных катушек 14 и 15 и двух корректирующих магнитных катушек 17 и 18, включенных в соответствии с первым вариантом устройства.
Фиг.6b показывает распределение магнитных линий в плазмоводе заявляемого источника плазмы (фиг.1) с использованием двух входных магнитных катушек 14 и 15 и двух корректирующих магнитных катушек 17 и 18, включенных согласно в соответствии со вторым вариантом устройства.
Фиг.6с показывает распределение магнитных линий в плазмоведущем канале заявляемого источника плазмы (фиг.1), когда возбуждены только две корректирующие магнитные катушки 17 и 18.
Фиг.6d показывает распределение магнитных линий в канале заявляемого источника плазмы (фиг.1), когда только дополнительная магнитная катушка 24 возбуждена.
Фиг.6е показывает распределение магнитных линий в канале заявляемого источника плазмы (фиг.1), когда дополнительная магнитная катушка 24 и две корректирующие магнитные катушки 17 и 18 возбуждены.
Фиг.6f показывает распределение магнитных линий в канале заявляемого источника плазмы (фиг.1), когда все магнитные катушки (фиг.1) за исключением катушек 17, 18 и 24 возбуждены.
Фиг.6g показывает распределение магнитных линий в канале заявляемого источника плазмы (фиг.1), когда все магнитные катушки за исключением катушек 17, 18 и 24 возбуждены и ток возбуждения магнитной катушки 15 вдвое больше, чем в случае фиг.6f.
Фиг.7а показывает размещение щели входного плазмовода и часть экрана аппарата (фиг.1) в боковой проекции.
Фиг.7b показывает фиг.7а, вид сверху.
Фиг.7с представляет собой трехмерное изображение фиг.7а с разрезом и экраном в области щели.
Фиг.8 показывает схематическое изображение источника плазмы (фиг.1) с двумя плазменными генераторами.
Фиг.9а представляет собой схематический чертеж заявляемого источника плазмы (фиг.1) со вторым плазмоводом для формирования двух потоков плазмы.
Фиг.9b показывает аппарат по фиг.9а со вторым входом генератора плазмы.
Фиг.9с показывает аппарат по фиг.9а с подсоединенным к нему вторым источником фильтрованной плазмы.
Фиг.10 показывает плазменный источник по фиг.1 со вторым источником фильтрованной плазмы, используемым как плазменный генератор.
Фиг.11 представляет собой схематическое изображение варианта заявляемого источника с четырьмя генераторами фильтрованной плазмы и общим плазмоводом.
Фиг.12 показывает влияние магнитной катушки 24 на ионный ток в заявляемом источнике плазмы по Фиг.1.
Фиг.13 показывает влияние корректирующих магнитных катушек 17 и 18 на ионный ток заявляемого источника плазмы по Фиг.1.
Фиг.14 показывает влияние положительного потенциала плазмовода на ионный ток на выходе аппарата по Фиг.1.
Подробное описание
Далее настоящее изобретение описывается словесно, в основном без ссылок. За первичным словесным описанием следует более детальное описание со ссылками на чертежи.
В настоящем изобретении источник фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы содержит генератор плазмы, включающий в себя расходуемый катод с испаряемой рабочей поверхностью, которая под воздействием катодного пятна вакуумной дуги испускает поток плазмы катодного материала; трубчатый анод, размещенный напротив рабочей поверхности катода; катодную и анодную катушки, охватывающие катод и анод соответственно. В источник входят также прямолинейные трубчатые плазмоводы, образующие криволинейный плазмоведущий канал, имеющий, по крайней мере, одно выходное отверстие и исключающий прямую видимость между этим отверстием и катодом генератора. Электропитание вакуумной дуги и катушек осуществляется от независимых источников питания. Плазмоведущий канал служит для транспортировки плазмы от генератора плазмы до упомянутого выходного отверстия и размещаемой напротив него подложки, а также для поглощения макрочастиц, испускаемых катодом наряду с ионами, электронами и нейтральными атомами катодного материала. В состав плазменного фильтра входят также магнитные катушки, охватывающие упомянутые плазмоводы и служащие для создания магнитного поля, направляющего ионы и электроны плазмы вдоль плазмоведущего канала к подложке.
В соответствии с изобретением, к выходу генератора плазмы пристыкован входной плазмовод, к которому предпочтительно под прямым углом пристыкован выходной плазмовод. При этом полости плазмоводов соединены между собой проемом в стенке входного плазмовода, а место стыка делит входной плазмовод на две части: первую, обращенную к аноду генератора плазмы, и вторую, служащую ловушкой макрочастиц и размещенную с противоположной стороны стыка. Первая часть входного плазмовода и выходной плазмовод образуют плазмоведущий канал для транспортировки плазмы от генератора плазмы к выходному отверстию в этом канале и к подложке, размещаемой напротив выходного отверстия.
На первой и второй частях входного плазмовода размещены, соответственно, первая и вторая входные катушки, а на выходном плазмоводе размещена выходная катушка. Выходная катушка подключена к источнику питания так, что ток в его витках создает в выходном плазмоводе магнитное поле, силовые линии которого являются продолжением силовых линий поля первой входной катушки. Между первой и второй входными катушками размещены катушки корректировки магнитного поля. Катушки корректировки расположены предпочтительно в непосредственной близости друг от друга, и их части на выходной стороне плазмовода отогнуты назад, чтобы охватить плазмовод по его периметру. Эти корректирующие магнитные катушки подключены к источникам питания таким способом, что направление магнитного поля катушки 17 совпадает с направлением поля катушки 14, а направление поля катушки 18 совпадает с направлением поля катушки 15.
Дополнительным элементом средства корректировки магнитного поля является дополнительная катушка, размещенная у входного плазмовода предпочтительно соосно с выходной катушкой. Размеры поперечного сечения дополнительной катушки - не меньше диаметра входного плазмовода и не больше его длины. Необходимую напряженность магнитных полей, создаваемых корректирующими катушками и дополнительной катушкой, предпочтительно определять экспериментальным путем. Экспериментально определяются также количество витков в катушках и токи в них, необходимые для обеспечения требуемых полей. Основной функцией упомянутых катушек является корректировка магнитных полей в фильтре для получения максимального потока ионов на его выходе.
Настоящее изобретение предусматривает вариант исполнения источника вакуумно-дуговой плазмы, в котором катушки подключены к источнику питания так, что направление токов в витках первой входной катушки и первой корректирующей катушки противоположно направлению токов в витках второй входной катушки и второй корректирующей катушки. В таком варианте источника плазмы на стыке плазмоводов имеется область с минимумом напряженности магнитного поля. Магнитные силовые линии, подходя к этой области с двух противоположных сторон, расходятся здесь подобно вееру, образуя узкую кольцевую магнитную щель, расширяющуюся со стороны выходного плазмовода. Плазма, поступающая в область с данной конфигурацией магнитных полей, покидает ее через это расширение. Остальная, более узкая часть щели и осевой канал в сторону второй секции входного плазмовода отражают плазму наподобие магнитных зеркал. Потери плазмы, обусловленные утечкой ее через эти «зеркала», в значительной мере компенсируются отсутствием дрейфовых (градиентных и центробежных) потерь в данной системе. Более низкая энергия ионов в выходном потоке плазмы является преимуществом этого варианта заявляемого источника в случаях, когда источник используется для обработки материалов, имеющих низкий порог энергии модификации, например, при нанесении покрытий на термочувствительные материалы.
С целью повышения эффективности прохождения ионов плазмы через плазмоведущий канал заявляемого источника в торце второй секции входного плазмовода целесообразно разместить изолированный электрод, например, в виде пластины, перекрывающей центральную часть торца плазмовода. Отрицательный плавающий потенциал электрода представляет собой барьер, затрудняющий утечку электронов из плазмоведущей системы. Это способствует увеличению пространственного заряда электронов, повышению плотности ионов в плазмоведущем канале и более эффективному их прохождению к выходному отверстию системы.
Для обеспечения возможности формирования потока фильтрованной плазмы, содержащей ионы двух различных материалов, и повышения интенсивности выходного потока плазмы в заявляемом источнике плазмы к торцу второй части входного плазмовода может быть пристыкован второй генератор плазмы. В зависимости от конкретной технологической задачи катоды генераторов плазмы могут быть выполнены из одного и того же материала, или из разных материалов. При формировании потока двухкомпонентной плазмы соотношение между концентрациями компонентов плазмы определяется соотношением разрядных токов в генераторах плазмы. Равномерное распределение относительной концентрации каждой составляющей потока плазмы на выходе системы определяется интенсивным перемешиванием первичных потоков, встречающихся в области минимума магнитного поля, упомянутого выше.
С целью повышения эффективности прохождения плазмы через фильтрующий плазмоведущий канал заявляемого источника плазмы в любом из рассмотренных выше исполнений, в стенке входного плазмовода между первой и второй его частями имеется поперечная щель, закрытая изолированным от плазмовода экраном. Положение этой щели совпадает с положением магнитной щели в структуре полей, создаваемых первой и второй входными катушками. Отрицательный плавающий потенциал электрода способствует увеличению пространственного заряда электронов, повышению плотности ионов в плазмоведущем канале и более эффективному их прохождению к выходному отверстию системы.
Настоящее изобретение предусматривает также вариант источника фильтрованной плазмы в любом из рассмотренных выше исполнений, в котором содержится дополнительная катушка, размещенная у упомянутого входного плазмовода напротив выходного плазмовода соосно с последним. Указанная катушка подключена к источнику питания так, что создаваемое ею магнитное поле направлено против поля, создаваемого выходной катушкой. При этом достигается симметрирование структуры магнитного поля между встречно включенными входными катушками за счет усиления его напряженности в магнитной щели напротив выходной магнитной катушки и смещения области минимума поля к центру системы. В свою очередь это снижает потери плазмы за счет ухода ее на заднюю стенку входного плазмовода (напротив выходного плазмовода) и, следовательно, повышает эффективность транспортировки плазмы к выходу системы. Положительный эффект дополнительной катушки достигается при размерах ее апертуры не менее диаметра входного плазмовода и не более его длины.
Еще одно исполнение источника фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы отличается тем, что фильтр источника содержит дополнительный плазмовод, пристыкованный к входному плазмоводу напротив выходного плазмовода соосно с последним. При этом сегменты упомянутых первой и второй катушек со стороны дополнительного плазмовода отогнуты в противоположные стороны ортогонально плазмоводу, так что каждый из них огибает дополнительный плазмовод по его периметру. Дополнительный плазмовод снабжен дополнительной катушкой, которая подключена к источнику питания так, что создаваемое им магнитное поле направлено против поля, создаваемого выходной магнитной катушкой. В рассматриваемом исполнении заявляемый источник обеспечивает возможность формирования двух потоков фильтрованной плазмы, направленных в противоположные стороны. Для обеспечения возможности формирования потока фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы сложного, например, двухкомпонентного состава к упомянутому дополнительному плазмоводу, согласно изобретению, пристыковывается источник фильтрованной плазмы в одном из рассмотренных выше исполнений.
Согласно изобретению еще одно исполнение источника фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы с одним или двумя генераторами плазмы, пристыкованными соответственно к одному или обоим торцам входного плазмовода, отличается тем, что в нем в качестве упомянутых генераторов плазмы использованы любые из рассмотренных выше исполнений источника фильтрованной плазмы. В таком исполнении заявляемое изобретение сочетает следующие преимущества: возможность формировать фильтрованные потоки вакуумно-дуговой плазмы, содержащей несколько компонентов; повышенную степень очистки (фильтрации) формируемого потока от макрочастиц; однородное распределение соотношения концентраций входящих в состав плазмы компонент по сечению формируемого потока; повышенная интенсивность формируемого потока фильтрованной плазмы.
Учитывая, что несколько вариантов устройств, соответствующих изобретению, в общем уже описаны, считаем, что теперь можно перейти к более подробному описанию изобретения.
В соответствии с изобретением изображенный на Фиг.1 источник фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы содержит генератор плазмы 1 и плазменный фильтр 2. Генератор плазмы 1 включает в себя цилиндрический расходуемый катод 3 с испаряемой торцевой поверхностью 3′ (в дальнейшем - рабочая поверхность), трубчатый анод 4, размещенный напротив рабочей поверхности 3′ катода 3, а также катодную 5 и анодную 6 катушки, охватывающие катод 3 и анод 4 соответственно. К выходному торцу 7 анода 4 через изолятор 32 изолированными болтами 33 пристыкован входной плазмовод 8, к которому пристыкован выходной плазмовод 9.
Полости плазмоводов соединены между собой проемом 10 в стенке входного плазмовода 8. Проем 10 служит как входной проем плазмовода 9. Место стыка плазмоводов делит входной плазмовод 8 на две части: первую часть 11, обращенную к аноду 4, и вторую часть 12 - с противоположной стороны стыка. Первая часть 11 входного плазмовода и выходной плазмовод 9 образуют плазмоведущий канал с выходным отверстием 13, напротив которого обычно размещается подложка 34 - обрабатываемый объект. На первой 11 и второй 12 частях входного плазмовода 8 размещены первая 14 и вторая 15 магнитные катушки соответственно. На выходном плазмоводе 9 размещена выходная магнитная катушка 16. Между первой 14 и второй 15 входными катушками размещено средство регулировки магнитного поля, выполненное в виде первой 17 и второй 18 катушек и размещенных почти вплотную друг к другу так, что каждая охватывает входной плазмовод, принимая форму, которую мы называем «седлообразной».
Сегменты первой и второй корректирующих магнитных катушек 17 и 18, охватывающие по периметру плазмовод 9, отогнуты назад в противоположные стороны (17′ и 18′) и обычно располагаются ортогонально к плазмоводу 9. Сегменты 17′ и 18′, можно сказать, дополняют магнитные катушки 17 и 18 с подобной «седлу» конфигурацией, что в результате придает катушкам сложную изогнутую форму, которая возможно лучше всего изображена на Фиг.2. У противоположного входного конца плазмовода 8, закрытого крышкой 19, находится электрод 20, который электрически изолирован от плазмовода 8 и предпочтительно подключен к отрицательному выводу источника напряжения 37. Типичный диапазон напряжений источника 37 - от 5 до 40 Вольт. Выходной фланец 13 плазмовода связан с вакуумной камерой 39 с размещенной в ней подложкой 34. Размеры (длина и диаметры) анода 4 и плазмоводов 8 и 9 выбраны так, чтобы исключить прямую видимость между рабочей поверхностью 3′ катода 3 и выходным отверстием 13 плазмоведущего канала. Плазмоводы 8 и 9 соединены герметично с анодом 4 и вакуумной камерой 39 соответственно через изоляторы, которые на Фиг.1 не показаны. На стенках плазмоводов 8 и 9 размещены поперечные пластины (ребра) 21, предназначенные для подавления рикошетирования макрочастиц от стенок плазмоводов. При необходимости фильтр 2 может быть снабжен удлиняющей секцией 9а выходного плазмовода с магнитной катушкой 16а. Удлиняющая секция 9а полезна, когда выход плазмовода с большого расстояния должен быть приближен к вакуумной камере 39 и подложке 34 или введен внутрь вакуумной камеры 39.
Взаимное расположение основных составных частей описанного источника фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы дополнительно поясняется трехмерным изображением его внешнего вида, представленным на Фиг.2. Из этого чертежа, в частности, становится более понятной форма катушек 17 и 18. Вид корректирующих катушек 17 и 18 и примыкающих к ним центральных частей источника дополнительно поясняется также на фиг.7с. На фиг.2 и 7 и на других чертежах данного документа каждой части дан тот же самый идентификационный номер. Дополнительная удлиняющая секция 9а на трехмерном изображении не показана.
-4
Изображенный на Фиг.1 источник фильтрованной плазмы вакуумной дуги работает следующим образом. При заданном вакууме в камере (в диапазоне от 10 до 10 Па) и при включенных источниках питания дуги и магнитных катушек 35 и 38 с помощью поджигающего устройства (не показанный) зажигают дуговой разряд между катодом 3 и анодом 4. При этом на рабочей поверхности катода 3' возникает хаотично перемещающееся катодное пятно, удерживаемое на поверхности магнитным полем магнитной катушки 5. Катодное пятно испускает плазменный поток, который распространяется в полость анода 4. Здесь, в присутствии магнитного поля, создаваемого магнитной катушкой 6, плазма фокусируется и направляется к плазмоводам 8 и 9. Типичные значения тока катодной дуги лежат в диапазоне от 50 до 200 Ампер, при напряжении от 25 до 50 Вольт. Значительная энергия рассеивается на поверхностях катода 3′ и анода 4. Практически эта тепловая энергия предпочтительно отводится, например, водяным охлаждением. Система такого охлаждения хорошо известна в литературе и поэтому в интересах простоты и ясности здесь она на фиг.1 и других чертежах не показана.
Теоретический принцип действия
е
i
е
i
Транспортировка плазмы от катода 2 до выходного торца 13 (Фиг.1) обеспечивается следующим образом. С помощью катушек, охватывающих анод и плазмоводы, в плазмоведущем канале создается магнитное поле, напряженность которого выбирают так, чтобы выполнялось условие ρ<<α<ρ (ρ и ρ - ларморовские радиусы электронов и ионов соответственно, α - радиус плазмоведущего канала).
II
Понятие ларморовского радиуса и движение по спирали заряженных частиц, включая электроны и ионы, в магнитном поле известны в науке и описаны, например, в "Физическом Энциклопедическом Словаре", М., "Советская Энциклопедия", 1984, стр.352-536 и в Английском руководстве Д.Роуза и М.Кларка "Плазма и управляемый термоядерный синтез", изданном совместно Технологическим Институтом Штата Массачусетс и издательством Джона Уилей с сыновьями, Нью-Йорк - Лондон. В этом ларморовском движении частица перемещается по магнитной силовой линии с продольным компонентом скорости V, вращаясь одновременно вокруг магнитной линии с ларморовской частотой w. Для электронов и ионов, соответственно, эти частоты следующие:
e
e
e
i
w=eB/m и w=ZeB/m.
Радиусы круговых оборотов по спирали, Ларморовские радиусы, для электронов и ионов, соответственно, равны
е
e
e⊥
i
i
e⊥
i
ρ=mV/eB и ρ=mV/ZeB
е
i
e⊥
i⊥
Здесь е - заряд электрона, Z - кратность заряда иона, m и m - масса электрона и масса иона, V и V - поперечные скорости электрона и иона, В - индукция магнитного поля, создаваемого магнитными катушками в предлагаемом изобретении.
e
i
В данном изобретении магнитное поле отвечает условиям ρ<<α<ρ
или
i
е
i
e
При выполнении условия (1) движение электронов полностью контролируется магнитным полем. В таком случае говорят, что электроны замагничены. С другой стороны, напряженность магнитного поля соответствует неравенству (2). Это означает, что магнитное поле такой интенсивности в рассматриваемой системе не влияет на движение ионов: ионы не замагничены. В связи с очень большой массой ионов m в сравнении с массой электронов m(например, для ионов титана, используемого в качестве катодного материала, m≈88000 m) упомянутые условия являются вполне выполнимыми при сравнительно невысокой интенсивности магнитных полей и ограниченных размерах системы.
В настоящем изобретении, для наиболее практических случаев радиус плазмоведущего канала α располагается между 10 миллиметрами и 100 миллиметрами. Магнитное поле В при выполнении отношений (1) и (2) в таких случаях составляет величину приблизительно от 5 до 50 мТл. Если В выбрать настолько низким, что отношение (1) не будет выполнено, то транспортное качество фильтра будет понижено из-за увеличенных потерь электронов на стенках плазмовода. Если магнитное поле будет настолько сильным, что отношение (2) не будет выполнено, то почти невозможно будет инжектировать плазму в фильтр из-за ее отражения от сильного магнитного зеркала, которое появляется на входе плазмовода.
е
В этом случае электроны замагничены а ионы - нет. В такой частично замагниченной плазме электроны двигаются по спирали с радиусом р вдоль линий магнитного поля и не могут двигаться поперек поля: проводимость плазмы высока вдоль поля и очень низка в направлении поперек поля. В этой связи линии магнитного поля в рассматриваемой системе являются эквипотенциалями. Они приобретают потенциал тех электродов, с которыми пересекаются. Так, пучок магнитных силовых линий, пересекающих рабочий торец катода, имеет потенциал этого электрода (с точностью до катодного падения).
Электроны, рождающиеся на катоде, движутся вдоль этого пучка линий, а ионы, удерживаемые электрическим полем электронов, следуют за ними. Тем самым сохраняется условие квазинейтральности плазмы. Поскольку плазмоводы изолированы от анода и камеры, которые, как правило, заземлены, стенки плазмоводов заряжаются положительно той частью высокоэнергетических ионов, которые не могут быть удержаны пространственным зарядом электронов, ведомых упомянутым пучком магнитных линий. В этом случае стенки плазмоводов находятся под положительным плавающим потенциалом. Возникающее при этом радиальное электрическое поле между транспортирующим пучком магнитных линий и положительно заряженными стенками плазмоведущего канала способствует транспортировке ионной компоненты плазмы. Как показывает опыт, для повышения эффективности транспортировки плазмы на стенки плазмоводов следует подавать принудительный положительный потенциал смещения. Такой источник 36 показан на Фиг.1 и типично работает в диапазоне напряжения от 5 до 15 В. С таким потенциалом вследствие торможения ионов радиальным электрическим полем снижаются потери плазмы на стенках плазмоведущего канала.
Кроме диффузии поперек магнитного поля к потерям плазмы приводит также ее поперечное смещение вследствие так называемых центробежного и градиентного дрейфов. В неоднородном криволинейном магнитном поле частицы плазмы вследствие наличия поперечной компоненты скорости дрейфуют перпендикулярно к grad H, т.е. по нормали к плоскости изгиба линии магнитного поля, вдоль которой частицы двигались первоначально. Этот дрейф вызывает поляризацию плазмы вследствие того, что частицы разного знака дрейфуют в противоположные стороны. Под воздействием скрещенных электрического поля поляризации и магнитного поля плазма, как целое, смещается в сторону выпуклости изогнутой силовой линии магнитного поля. Это так называемый градиентный дрейф плазмы. В традиционных системах, в которых магнитные линии изогнуты в одну сторону, такое смещение плазмы приводит к соприкосновению плазменного потока со стенкой плазмовода (с внешней по отношению к центру кривизны, т.е. со стороны выпуклости магнитных линий). Часть плазменного потока при таком соприкосновении теряется на стенке.
В отличие от известных систем, в предлагаемом источнике плазмы магнитные линии в области поворота плазменного потока, т.е. между первой и второй входными катушками 14 и 15, расходятся веером во все стороны, так что центры их кривизны равномерно размещены по окружностям, охватывающим входной плазмовод 8 по обеим сторонам магнитной щели 23 на Фиг.4. В результате этого градиентный дрейф плазмы, направленный в сторону выпуклости магнитных линий, приводит к смещению всех частей плазменного потока внутрь плазмоведущего канала, а не к его стенкам. Таким образом исключаются потери за счет градиентного дрейфа. Рассмотренный градиентный дрейф плазмы, как уже отмечалось, является результатом наличия поперечной составляющей заряженных частиц плазмы (ионов и электронов). Продольная же компонента скорости движения этих частиц в криволинейном магнитном поле приводит к разделению зарядов и к поляризации плазмы в плоскости изгиба магнитных линий; замагниченные электроны движутся по спиралям вдоль магнитных силовых линий, а тяжелые незамагниченные ионы, двигаясь по прямым траекториям, смещаются под действием центробежной силы G в направлении выпуклости магнитной линии.
В предлагаемом изобретении электрическое поле поляризации направлено к центру кривизны данной магнитной силовой линии (против вектора радиуса кривизны R) и вызывает смещение плазмы как целого в направлении [Н×G] или [Н×R]. Это так называемый центробежный дрейф. В известных криволинейных фильтрах, в которых магнитные поля изогнуты в одном направлении, например, в виде части тора, плазма в результате такого дрейфа смещается к одной из боковых стенок плазмовода (в зависимости от направления Н). Будучи в контакте со стенкой, часть плазменного потока теряется в таких фильтрах. В заявляемом же устройстве смещение плазмы как целого происходит не по прямой, как в известных устройствах, а по дуге вокруг приосевой зоны плазмовода, не задевая стенок последнего. Таким образом, в заявляемом устройстве минимизируются также и потери за счет центробежного дрейфа плазмы.
На Фиг.3 показан ход магнитных силовых линий в варианте включения катушек 14 и 16, соответствующем известному L-образному фильтру с двумя катушками, размещенными под прямым углом друг к другу. Стрелками 40 и 41 на Фиг.3 показано направление градиентного дрейфа плазмы: ее смещение происходит к внешней (по отношению к центру кривизны магнитных линий) стенке плазмоведущего канала. Центробежный дрейф здесь направлен перпендикулярно к плоскости чертежа, т.е. на одну из боковых стенок плазмовода в зависимости от направления магнитного поля.
На Фиг.4 показано распределение магнитного поля в заявляемом источнике плазмы. В отличие от фиг.3, здесь между катушками 14, 15 и 16 на Фиг.4 имеется зона 22 с нулевым магнитным полем и с магнитной щелью 23. В зоне 22 магнитное поле увеличивается с расстоянием от центра зоны. Стрелки 45, 46, 47 и 48 в Фиг.4 показывают направление градиентного дрейфа. Центробежный дрейф здесь проявляется как смещение плазменного потока по дуге (на чертеже не показано) вокруг зоны 22 в плоскости, нормальной к плоскости чертежа. Таким образом, в ситуации, соответствующей фиг.4, контакта плазменного потока со стенками плазмовода в процессе центробежного и градиентного дрейфов не происходит.
Что же касается макрочастиц, генерируемых дугой во время работы источника по Фиг.1, то их удаление из плазменного потока осуществляется следующим образом. Прежде всего, следует отметить, что основная часть потока макрочастиц, движущихся преимущественно вдоль входного плазмовода 8, улавливается второй секцией 12 этого плазмовода. Секция 12 вместе с крышкой 19 и электродом 20, таким образом, служит сборником-ловушкой катодного материала, покидающего катод 3 в виде макрочастиц и нейтральных паров. Вместе с тем, часть макрочастиц попадает и в выходной плазмовод 9. Однако, поскольку между катодом 3 и выходным торцом 13 прямая видимость отсутствует, макрочастицы, летящие с катода по прямым траекториям, не могут попасть на выход системы без столкновений со стенками.
При таком столкновении макрочастица либо прилипает к стенке, либо отскакивает, если она твердая. При максимальных начальных скоростях макрочастица должна претерпеть несколько частично упругих соударений со стенками, прежде чем прекратится ее поступательное движение. Чтобы предотвратить возможность попадания макрочастиц на выход системы за счет многократного отражения от стенок плазмоводов, на их поверхности размещена система поперечных ребер в виде пластин 21 на Фиг.1. На других чертежах эти пластины не показаны для придания чертежам простоты и ясности.
На Фиг.5 схематически изображен заявляемый источник фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы в исполнении, предусматривающем наличие дополнительной катушки 24, размещенной у входного плазмовода 8 напротив выходного плазмовода 9 соосно с последним. Положительный эффект дополнительной катушки достигается при размерах ее апертуры не менее диаметра входного плазмовода 8 и не более его длины. Дополнительная катушка 24 запитана таким образом, что создаваемое ею магнитное поле (см. Фиг.6а) направлено против магнитного поля в выходной магнитной катушке 16 и совпадает по направлению с полем в магнитной щели 23. Как следует из Фиг.6а, поле в магнитной щели 23 при этом усиливается (в сравнении с вариантом по Фиг.4), а распределение поля внутри плазмовода становится более симметричным. Область с минимумом поля 22 смещается к центру системы. При этом практически весь поток плазмы 25, генерируемый рабочей поверхностью 3′ катода 3, попадает в зону 22. Эта область, как уже отмечалось, характеризуется нулевой напряженностью магнитного поля в центре и возрастающей напряженностью поля по мере удаления от центра. Штриховка в зоне 22 и других местах Фиг.6а и на Фиг.6b, Фиг.6f и Фиг.6g представляет магнитные потоки и указывает местоположение плазменного потока в плазменном фильтре 2.
Такая конфигурация полей в зоне 22 известна как остроугольная магнитоэлектрическая ловушка. Сток электронов из источника 1 в этой ловушке возможен по осевым каналам вдоль плазмоводов 11, 12 и 9 и через магнитную щель 23. Напряженность полей выбирается такой, что в осевых каналах вдоль плазмоводов 11 и 12, а также в щели 23 они образуют магнитные зеркала, препятствующие прохождению электронов через них. Покинуть ловушку может только незначительная часть электронов, движущихся непосредственно вдоль центральных линий каналов в плазмоводах 11, 12 и щели 23. Единственный канал, куда электроны могут уходить беспрепятственно вдоль магнитных силовых линий, это участок магнитной щели с ослабленным полем 50, переходящий в канал в выходном плазмоводе 9. Пространственный заряд электронов в ловушке 22 образует потенциальную яму для ионов. Претерпев несколько отражений от стенок потенциальной ямы и потеряв при этом часть кинетической энергии, ионы попадают в канал выходного плазмовода 9 и вместе с электронами в виде потока квазинейтральной плазмы продвигаются к выходу 13 из системы. Пониженная энергия ионов выходного потока плазмы является преимуществом рассматриваемого исполнения источника в тех случаях, когда предполагается его использование для обработки материалов с низким энергетическим порогом модифицирования их служебных характеристик, например, в нанесении защитного покрытия на магнитный слой компьютерных дисков памяти.
Для лучшего понимания влияния катушек 17, 18 и 24 при их взаимодействии на получение нужной конфигурации магнитного потока и канала 50, показанного на фиг.6а для изобретения по фиг.1, в данный документ включены дополнительные чертежи на фигурах от 6с до 6g. Эти чертежи иллюстрируют результаты действия нескольких комбинаций упомянутых катушек. Поэтому предполагается, что эти дополнительные чертежи помогут оценить вклад, например, катушек 17 и 18 в создании требуемого распределения магнитных полей в плазмоведущем канале. Идентификация условий каждой из аномальных комбинаций включения катушек для фиг. от 6с до 6g приведены выше в разделе «Краткое описание чертежей». Знаки + около катушек на фигурах от 6с до 6g указывают на относительное направление электрических токов в катушках, причем направление намотки витков игнорируется. Так, например, два знака +, обозначенные цифрами 55 и 5b и стоящие у противоположных сторон катушек 17 и 18 на фиг.6с, указывают на противоположное направление токов в этих катушках и, следовательно, соответствующее относительное (навстречу друг другу) направление магнитных потоков, создаваемых катушками 17 и 18 и являющихся вкладом в результирующий поток, показанный на фиг.6а.
В настоящем документе применяются такая терминология как «электрический ток, обеспечивающий встречное направление магнитного потока» и другие подобные языковые обороты, которые следует понимать как обозначающие ток, текущий в витках обмотки магнитной катушки независимо от направления намотки витков и полярности прикладываемого напряжения электрического питания. Магнитный поток, по направлению соответствующий полю, существующему у полюса «Север», может создаваться, например, в результате подключения к началу обмотки положительной клеммы источника питания при навивке витков по часовой стрелке, или при подключении отрицательной клеммы к началу обмотки, навитой против часовой стрелки, так что в обоих случаях обеспечивается «электрический ток, генерирующий магнитное поле того же самого направления»
Стрелкой 48 на фиг.6с показано направление движения плазмы, покинувшей поверхность 3′ катода и находящейся под влиянием магнитных полей, созданных только катушками 17 и 18. Стрелкой 49 на фиг.6d обозначен путь плазмы, движущейся от поверхности 3′ катода под воздействием магнитного поля, созданного только катушкой 24. При одновременном включении катушек 17, 18 и 24 формируется магнитное поле, конфигурация которого показана на фиг.6е. Стрелками S1 показано направление движения плазмы, покинувшей поверхность 3′ катода и отразившейся от области расходящихся магнитных линий, действующей как «магнитное зеркало».
Пучок плазмы, покинувшей поверхность 3′ катода в магнитном поле, созданном одновременно включенными катушками 5, 6, 14, 15, 16 и 16(а) (при отключенных катушках 17, 18 и 24), показан на фиг.6f. Три стрелки 53 на фиг.6f обозначают прохождение плазмы в «полезном» направлении в канал 50, а также в нежелательных направлениях на боковые стенки входного плазмовода и через магнитный канал к стенкам второй секции входного плазмовода (ловушки макрочастиц). В рассматриваемом варианте включения катушек площадь контакта плазмы со стенками входного плазмовода и сечение магнитного канала во второй секции входного плазмовода, а следовательно, и соответствующие потери плазмы уменьшаются при аномальном (например, двукратном) увеличении тока в катушке 15. Но при этом возникает поток дополнительных потерь у верхнего края входного проема выходного плазмовода (см. стрелки 59 на фиг.6g). Таким образом, из приведенных рассуждений следует, что наилучшим вариантом конфигурации магнитных полей является тот, который соответствует фиг.6а, и, следовательно, наилучший результат транспортировки плазмы достигается в случае, соответствующем изобретению, т.е. когда используются все катушки устройства по фиг.1 или фиг.5.
Показанный на Фиг 1. и Фиг.5 электрод 20 размещен у торца 19 плазмовода 12 и перекрывает его центральную часть. Электроны, поступающие на этот электрод из зоны 22, вследствие утечки вдоль осевого магнитного канала в плазмоводе 12, заряжают его отрицательно. Желательно поддерживать такой потенциал от дополнительного источника питания 37. Это заметно ослабляет утечку электронов на плазмовод 8, что способствует сохранению и некоторому увеличению отрицательного пространственного заряда электронов внутри плазмоводов. В свою очередь, это способствует повышению плотности ионов в плазмоведущем канале и, следовательно, более эффективной транспортировке их к выходному торцу 13 или 13′ системы.
Чтобы предотвратить плазменные потери, вызванные утечкой некоторой части электронов из зоны 22 через магнитную щель 23 на стенку плазмовода 8, и таким образом повысить эффективность прохождения плазмы через плазмоведущий канал заявляемого источника, целесообразно выполнить щель 26, показанную на Фиг.7а и на Фиг.7с, в стенке входного плазмовода 8 между первой 11 и второй 12 его частями перед выходом 10. Щель 26 закрыта снаружи экраном 27. Экран электрически изолирован от плазмовода 8. Положение этой щели 26 в стенке плазмовода 8 должно совпадать с положением магнитной щели 23 в структуре полей, создаваемых катушками 14, 15 и катушками 17, 18 (Фиг.6а). Электроны, поступающие из зоны 22 на экран 27 через щель 26, сообщают ему отрицательный плавающий потенциал. Этот потенциал является барьером, препятствующим дальнейшей утечке электронов из плазмоведущего канала 8 и 9, что способствует сохранению и некоторому увеличению отрицательного пространственного заряда электронов внутри упомянутого канала. Это в свою очередь способствует повышению плотности ионов в канале и более эффективному их прохождению к выходу 13 системы.
Дополнительные варианты исполнения
На Фиг.8 схематически изображен вариант заявляемого источника фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы с двумя одинаковыми генераторами плазмы 1 и 1(а), пристыкованными к противоположным торцам входного плазмовода плазменного фильтра 2. В зависимости от технологической задачи в генераторах 1 и 1(а) применяют катоды 3 и 3(а) из одного и того же материала или из разных материалов. В первом случае при одновременной работе обоих генераторов на выходе 13 источника по Фиг.8 формируется поток плазмы одного материала примерно удвоенной интенсивности. Во втором случае источник испускает поток плазмы, в состав которого входят материалы обоих катодов. Соотношение между концентрациями этих материалов определяется соотношением разрядных токов дуги в генераторах 1 и 1(а). Вследствие перемешивания первичных потоков плазмы, встречающихся в области минимума магнитного поля, распределение относительной концентрации катодных материалов в результирующем потоке на выходе 13 или 13′ системы становится равномерным. Направление движения потоков плазмы на чертеже показано стрелками 28.
В фильтре представленного на Фиг.9(а) варианта исполнения источника фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы по данному изобретению содержится дополнительный плазмовод 29, пристыкованный к входному плазмоводу 8 напротив выходного плазмовода 9 соосно с последним. При этом сегменты 17(а) и 18(а) катушек 17 и 18 со стороны дополнительного плазмовода 29 отогнуты в противоположные стороны так, что каждый из них огибает дополнительный плазмовод по его периметру. Дополнительный плазмовод 29 снабжен дополнительной магнитной катушкой 30. Эта катушка подключена к источнику питания так, что создаваемое ею магнитное поле направлено против поля выходной катушки 16. В таком исполнении источник Фиг.9а позволяет формировать два потока фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы, направленные в противоположные стороны. Плазменные потоки здесь обозначены стрелками 28 и 28а. При наличии второго генератора плазмы 1(а), пристыкованного ко второму торцу плазмовода 8 вместо крышки 19 и электрода 20 (Фиг.9b), данный источник плазмы позволяет формировать два потока двухкомпонентной плазмы.
-1
Еще одно исполнение заявленного источника фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы 9а с дополнительным плазмоводом схематически изображено на Фиг.9(с). Здесь к торцу дополнительного плазмовода 29 пристыкован второй источник фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы 1а. В качестве этого второго источника использовано устройство, схематический чертеж которого приведен на Фиг.1. В таком исполнении заявляемый источник обеспечивает возможность формировать поток фильтрованной двухкомпонентной плазмы. Источник Фиг.9с также обеспечивает поток фильтрованной двухкомпонентной плазмы. Но в отличие от рассмотренных выше вариантов, изображенных на Фиг.8 и Фиг.9(b), в данном источнике исключена возможность переноса материала одного катода на другой в виде макрочастиц, т.к. между катодами 3 и 3′ генераторов 1 и 1′ соответственно нет прямой видимости. Это качество источника плазмы в рассматриваемом исполнении позволяет использовать его как источник газовой и металлической плазмы для осуществления так называемой дуплексной обработки материалов, когда в одном технологическом цикле совмещается обработка изделия газовой плазмой (ионное травление, азотирование, ионная имплантация погружением в плазму и др.) и осаждение покрытия конденсацией из металлической плазмы. Генерирование газовой плазмы осуществляется при горении дугового разряда в одном из генераторов плазмы, например, в генераторе 1′ на Фиг.9с в среде рабочего газа при давлении свыше 10 Па и наличии вспомогательного анода в вакуумной камере (на чертеже не показано) и с отключенными магнитными катушками фильтра 2′. В качестве вспомогательного анода может служить удлиняющая секция 9(а) выходного плазмовода 9 на Фиг.9с. При этом пространство внутри плазмоводов и в вакуумной камере заполняется газовой плазмой, а компоненты металлической плазмы, эмитируемые катодными пятнами дуги в источнике 1′, рассеиваются на газовой мишени в плазмоведущем канале и до выхода системы не доходят. Следует указать на различия в размещении удлиняющей секции 9(а) относительно подложки или обрабатываемого изделия 34 и камеры 39 в исполнениях источника, изображенных на фиг.1 и фиг.5. В источнике Фиг.5 удлиняющая секция 9а фактически расположена в пределах вакуумной камеры 39 и скорее не является конструкционной частью плазменного источника. Этот вариант на Фиг.5 является полезным, когда расстояния в пределах камеры большие.
Еще одно исполнение источника фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы по изобретению представлено на Фиг.10. Здесь к входному плазмоводу 8 фильтра 2 в качестве генератора плазмы 1 пристыкован источник вакуумно-дуговой плазмы, выполненный в соответствии со схематическим чертежом, представленным на Фиг.5. Упомянутый источник плазмы 1 с генератором 1′ и фильтром 2′ пристыкован своим выходным плазмоводом 9′ к первой секции 11 входного плазмовода 8 фильтра 2. Таким образом, источник плазмы в целом содержит два соединенных последовательно фильтра 2′ и 2. Плазмоведущий канал здесь состоит из следующих участков: 4′, 11′, 9′, 11, 9, 9(а). Плазменный поток 28, эмитируемый катодными пятнами дугового разряда, проходя вдоль упомянутого канала, дважды претерпевают поворот на 90°: между участками 11′ и 9′ и между 11 и 9. В конечном итоге, плазменный поток изгибается на 180°. Преимущество фильтра Фиг.10 с таким плазмоводом заключается в более высокой степени очистки плазмы от макрочастиц. К плазмоводу 8 источника, изображенного на Фиг.10, может быть подключен еще один источник фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы. В частности, как первый источник 1, подключенный к секции 11 плазмовода 8, так и второй источник, подключенный к секции 12 упомянутого плазмовода 8, могут соответствовать исполнениям, представленным на Фиг.5 или на Фиг.8.
На Фиг.11 представлен схематический чертеж источника, в котором генераторами плазмы 1, подключенными к торцу секций 11 и 12 плазмовода 8, служат источники плазмы, выполненные в соответствие с Фиг.8. Представленный на Фиг.11 источник позволяет формировать поток многокомпонентной плазмы с высокой степенью очистки от макрочастиц. Поток на выходе системы может включать в себя до четырех компонент, каждая из которых представляет собой плазму материала одного из четырех катодов 3. Направление движения плазмы от катодов к выходу системы показано стрелками 28. Каждая из четырех составляющих потока Фиг.11 претерпевает по два поворота на 90°, чем и обеспечивается повышенная степень очистки плазмы от макрочастиц. При поочередном включении разрядов в каждом генераторе плазмы по заданной программе система Фиг.11 обеспечивает возможность осаждения многослойных покрытий, содержащих слои от двух до четырех составов в заданной последовательности.
Следует отметить, что в вариантах заявляемого источника, изображенных на Фиг.10 и Фиг.11, плоскости изгиба плазмоведущего канала на стыках секций 11′ и 9′ фильтра 2′ и секций 11 и 9 фильтра 2 могут совпадать и не совпадать. То же относится и к источнику, изображенному на Фиг.11: плоскости симметрии генераторов плазмы 1 и фильтра 2 также могут совпадать и не совпадать. Причем, допустимое угловое смещение упомянутых плоскостей относительно друг друга вокруг оси ОO′ может быть любым в пределах ±180°. Выбор угла смещения определяется, в частности, соображениями удобства компоновки системы в целом при проектировании ее под конкретную технологическую задачу.
Как упомянуто выше, понижение кинетической энергии ионов в плазме, генерируемой рассматриваемым источником, представляется важным его преимуществом при осаждении покрытий на подложку, чувствительную к воздействию потоков высокоэнергетических частиц. Если, однако, плазменные источники Фиг.1 или Фиг.5 предназначены для использования в технологиях, в которых допускается или требуется повышенная энергия ионов плазмы, то целесообразно согласное включение элементов 14, 15, 17 и 18 магнитной системы фильтра 2. Фиг.6b показывает результат такого включения магнитных катушек 14, 15, 17 и 18. При этом достигается наиболее равномерное распределение напряженности магнитного поля по сечению. Градиент поля в такой системе минимален. Это, в свою очередь, способствует снижению градиентного дрейфа плазмы, уменьшению обусловленных этим дрейфом потерь и, следовательно, улучшению условий прохождения плазмы вдоль фильтра. Использование конфигурации магнитных катушек Фиг.6b в устройстве Фиг.5 и включение дополнительной катушки 24 согласно с выходной магнитной катушкой 16 увеличивает этот эффект. В отличие от других устройств изобретения, вспомогательная конфигурация Фиг.6b не имеет зоны минимума магнитного поля с нулем в ее центре, где ионы могли частично терять их кинетическую энергию, и поэтому ионный компонент плазмы сохраняет свою начальную кинетическую энергию при прохождении через плазмовод.
Очевидно также, что цилиндрическая форма с круглым поперечным сечением катода и анода генератора плазмы, а также плазмоводов плазменного фильтра в описанных здесь исполнениях источника плазмы по изобретению следует рассматривать лишь как одну из возможных форм, наиболее простую и удобную при изготовлении системы. Не исключено исполнение источника, форма элементов которого (катода, анода, плазмоводов) является прямоугольной. Такое исполнение источника плазмы целесообразно при использовании его для обработки изделий больших размеров, для осаждения покрытий на листовые и рулонные материалы.
Должно также быть отмечено, что плазменный источник предлагаемого изобретения может работать не только в режиме постоянного тока, но также и в импульсном режиме.
Примеры
Экспериментальный образец заявляемого источника фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы соответствовал Фиг.5 и может рассматриваться как демонстративный. В этом источнике катод 3 генератора плазмы 1 представлял собой цилиндр диаметром 60 мм. Материал катода - титан. Анод и все плазмоводы выполнены из немагнитной нержавеющей стали. Нерабочий торец катода, анод и плазмоводы охлаждались водой. Внутренний диаметр анода 4 и плазмоводов 8 и 9 составлял 190 мм. Длина анода - 200 мм, длина каждого из элементов плазмоведущего канала (11, 12, 9, 9′) равнялась 190 мм. Количество ампер-витков в соленоидах системы было таким, при котором обеспечивается распределение магнитных полей, изображенное на Фиг.6, при напряженности поля на оси выходного плазмовода 9, равной 50 Эрстед. Типичными количествами ампер-витков для магнитных катушек 5, 6, 14, 15, 16, 16а, 17, 18 и 24 являются - 2000, 1000, 800, 800, 700, 700, 500, 500 и 800 соответственно.
24
17,18
Влияние токов во входной магнитной катушке выходного плазмовода (I) и корректирующих магнитных катушек (I) на величину тока ионов на выходе источника, а также влияния напряжении смещения на плазмоводах на величину ионного тока на выходе фильтра показано на Фиг.12, 13 и 14. Ионные токи, представленные в этих фигурах, были измерены с помощью плоского коллектора при токе дуги 110 А. Токи магнитных катушек, показанные на фиг.12 и Фиг.13, соответствуют случаю, когда катушки имеют 150 витков провода. Входной ионный ток, измеренный плоским коллектором на входе фильтра 2, приблизительно равен 8 А. Следовательно, эффективность транспортировки ионов, определенная как отношение потока ионов на выходе к потоку ионов на входе, достигает 67% в случае Фиг.14. Из приведенных данных видно, что заявляемый источник фильтрованной плазмы более чем вдвое превосходит известные устройства аналогичного назначения по эффективности транспортировки ионной компоненты плазмы через фильтр.
-4
На лабораторной установке, оборудованной заявляемым плазменным источником, были получены покрытия, свободные от макрочастиц для катодов, изготовленных из титана и алюминия. Титановые покрытия получены при остаточном газовом давлении около 5.10 Па. Скорость осаждения покрытия - приблизительно 20 микрометров в час. Подложкой служили пластины из полированной нержавеющей стали. Покрытия на основе нитридов титана осаждали в смеси азота с аргоном 1/1 - с толщиной до 10 мкм/час. Микротвердость конденсата составляла 27 ГПа.
2
3
Прозрачные пленки из АlО получали осаждением Al плазмы на стекло в атмосфере смеси кислорода (80 ат.%) с аргоном с использованием изобретения. Толщина пленки составляла 4-6 мкм, скорость осаждения - около 6 мкм/час. Микротвердость - около 14 ГПа. Синтез окислов и нитридов алюминия осуществляли, используя катод из алюминия высокой чистоты (количество примесей не более 0,01%), при подаче на подложку высокочастотного потенциала (1 MГц) амплитудой порядка 50 В. Нитрид алюминия в виде прозрачной пленки толщиной до 1 мкм на очковых пластиковых линзах синтезировали конденсацией А1 плазмы в атмосфере азота. Коэффициент пропускания света в видимом спектре составлял около 94%, что свидетельствует о высокой степени очистки плазмы от макрочастиц.
2
Алмазоподобные углеродные покрытия (DLC) могут также быть осаждены на полированных стальных пластинах, с использованием графита высокой чистоты в качестве материала катода. В течение процесса на подложку подается высокочастотный потенциал 5 МГц и 100 В относительно стенок вакуумной камеры. Аргон используется как рабочий газ при давлении приблизительно 0.07 Па. Скорость осаждения - от 4 до 14 микрометров в час. Однородные покрытия получены на площади приблизительно 15 см. Микротвердость DLC покрытия - от 70 до 80 ГПа.
Хотя описанные здесь устройства и метод составляют предпочтительное воплощение изобретения, следует считать, что изобретение не ограничено этой точной формой этих устройств или методом и могут быть осуществлены иные их варианты без изменения сущности изобретения, определенной в приведенной в конце формулой изобретения.