ВАКУУМНЫЙ ДУГОВОЙ ИСПАРИТЕЛЬ МЕТАЛЛОВ
METAL VACUUM ARC EVAPORATOR

Изобретение относится к испарителям металлов, предназначенным для нанесения покрытий путем электронно-лучевого напыления, и может быть использовано для получения металлических пленок на деталях из металлов или диэлектриков.
Для нанесения покрытий путем электронно-лучевого напыления наибольшее распространение получили вакуумные дуговые анодные испарители с термоэлектронным катодом и источником распыляемого материала, помещенного в анодный тигель, которые обладают возможностью гибкого регулирования степени ионизации испаряемого потока и позволяют получить однородную паровую фракцию распыляемого металла с большой концентрацией ионизированных частиц, отсутствием капель и продуктов распыления катода. Последние особенности обуславливают высокое качество напыляемых пленок: однородность, прочность и высокую адгезию.
Испарители с термоэлектронным катодом в своей конструкции имеют два обязательных элемента: тигель-анод и термоэмиссионный катод. Обычно катод и анод составляют единый узел. Другие элементы конструкции, такие как, например, внешние фокусирующие устройства, могут присутствовать в конструкции, но не являются обязательными элементами. Некоторые различия между испарителями заключаются в дополнительном использовании элементов фокусировки с использованием электрических и магнитных полей.
-2
В качестве прототипа изобретения выбран испаритель, включающий термоэмиссионный катод и тигель-анод [Никитин М.М. Вакуумный анодный разряд как источник ионизированных потоков материала покрытия. Известия РАН. Серия физическая, т.74, №2, с.306-312, 2010]. Необходимым условием работы этого испарителя является наличие высокого вакуума в рабочей камере испарителя (не менее 10 Па). Анодный тигель, обычно охлаждаемый проточной водой, представляет собой открытую емкость из жаропрочного материала, например вольфрама или молибдена. В некоторых конструкциях испарителя могут быть использованы неохлаждаемые тигли. Такие тигли приводят к диффузной посадке вакуумной дуги на распыляемый материал с широкой апертурой испарения материала, что не всегда эффективно с точки зрения его использования: часть материала, расплавляясь и смачивая тигель, уходит из зоны диффузионной привязки дуги, а другая часть, испаряясь, оседает на боковых стенках устройства, включая стенки вакуумной камеры и специальные экраны. Так как обычно большая часть испаряемого материала находится в нейтральном состоянии, то электрические и магнитные фокусирующие системы не оказывают влияния на формирование этой части испаряемого потока, и таким образом данный поток используется не вполне эффективно.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания вакуумного дугового анодного испарителя металлов с улучшенными техническими характеристиками: увеличенной удельной и полной мощностью, вкладываемой в самоподдерживающийся разряд, степенью ионизации и скоростью направленного потока, сужением конуса направленности потока испаряемого металла и увеличением эффективности использования последнего, и переходом работы устройства из диффузионного в сублимационный режим испарения.
Поставленная задача решается тем, что предлагается вакуумный дуговой анодный испаритель металлов, включающий термоэмиссионный катод и тигель-анод с расположенным в нем испаряемым металлом, у которого тигель-анод выполнен с ограничивающей диафрагмой, расположенной над испаряемым металлом и имеющей отверстие или сквозной канал, причем ограничивающая диафрагма выполнена из материала с температурой плавления не ниже температуры испарения испаряемого металла.
Термоэмиссионный катод может быть расположен над ограничивающей диафрагмой тигля-анода вне или внутри тигля.
Тигель-анод может быть снабжен средством водяного охлаждения.
Канал диафрагмы может иметь цилиндрическую или коническую форму, или форму сопла Лаваля.
Предлагаемый испаритель изображен на фиг.1, где 1 - тигель-анод, 2 - термоэмиссионный катод, 3 - ограничивающая диафрагма тигля-анода (с направляющим поток испаряемого металла каналом), 4 - испаряемый металл, 5 - конус направленности потока испаряемого металла, 6 - средство водяного охлаждения.
Работа предлагаемого испарителя происходит следующим образом. После нагрева термоэмисионного катода 2 до температуры, обеспечивающей необходимую первоначальную эмиссию электронов, и подачи электрического напряжения электронный пучок привязывается к тиглю-аноду 1. Первоначальный этап электронно-лучевого нагрева верхней части тигля-анода приводит к появлению паров испаряемого металла 4, которые интенсифицируют самоиспарение металла, находящегося в тигле, и его ионизацию. С ростом подводимой к разряду мощности давление насыщенных паров испаряемого металла повышается, процессы ионизации нарастают, и при некотором пороговом значении подводимой мощности возникает дуговой разряд в вакууме. Наличие канала у ограничивающей диафрагмы 3 позволяет сузить конус направленности потока испаряемого металла 5 и интенсифицировать процесс ионизации. Так, повышается удельный энерговклад на единицу площади разряда в парах металла. При продолжительной стационарной работе испарителя используется водяное охлаждение 6. При кратковременной работе испарителя водяное охлаждение не обязательно. Как и в прототипе, для плавной регулировки режимов испарения могут быть использованы дополнительные элементы для фокусировки. Последние на рисунках не приведены.
Термоэмиссионный катод может располагаться над ограничивающей диафрагмой, как показано на фиг.1(а). Однако с целью увеличения энергетической эффективности и эффективности использования испаряемого металла термоэмиссионный катод, не имеющий гальванической связи с тиглем-анодом, предлагается располагать внутри тигля выше зоны с полузакрытым объемом (выше ограничивающей диафрагмы; отсчет идет от дна внутренней поверхности тигля), в котором находится испаряемый металл, как показано на фиг.1(б). Так как термокатод расположен внутри тигля, то часть тигля, находящаяся выше зоны с полузакрытым объемом, служит дополнительным тепловым экраном для данного катода, поэтому он первоначально требует меньшей мощности для разогрева. Причем в условиях саморазогрева металлической плазмы разряда эффективно используется энергия и излучение из самого разряда в процессе его работы, что позволяет уменьшить первоначальный ток накала катода или потребляемую мощность для данных целей. Внутренняя поверхность верхней части тигля частично собирает распыленный вне конуса испарения металл и возвращает его повторно в сформировавшийся в процессе работы поток, так как температура верхней части тигля в процессе работы всегда выше температуры плавления испаряемого металла. Следует заметить, что во всех конструкциях испарителя, использованных ранее [Никитин М.М. Вакуумный анодный разряд как источник ионизированных потоков материала покрытия. Известия РАН. Серия физическая, т.74, №2, с.306-312, 2010], этот металл оседал на элементах конструкции вакуумной камеры или специальных экранах.
Использование полузакрытых тиглей-анодов, например, простого удлиненного цилиндрического тигля с неполной загрузкой испаряемого металла, или цилиндрического, или иного тигля с ограничивающей диафрагмой, имеющей отверстие или сквозной канал цилиндрической или конической формы, или формы сопла Лаваля и т.д., позволяет сузить конус направленности испаряемого потока, увеличить плотность накачки плазменного потока и, как правило, степень ионизации, а самое главное - такая конструкция тигля приводит к смене типа режима привязки разряда на испаряемый металл от диффузионной привязки к привязке к анодному пятну на испаряемом металле и переходу к сублимационному режиму испарения с повышением удельного и полного энерговклада в разряд. Такая привязка приводит к появлению каверны, или углубления, в испаряемом металле в центральной области внутри тигля и интенсификации процесса ионизации и испарения. Каверна уже сама по себе резко меняет конус направленности испаряемого потока. Данный переход резко отличается от известного диффузионного режима [Никитин М.М., Клебанов Г.Н., Рыкалин Н.Н., Шоршоров М.Х., Демин Е.П. и Попович Б.А. Способ электронно-лучевого напыления. А.с. №213553, МКИ В23К 23/00, №1101360/25-27, заявлено 14.09.1966, опубликовано 25.08.1976, Бюллетень №31] и несет в себе новые возможности для улучшения технических характеристик устройства. Причем сам факт существования и проникновения возникающего разряда внутрь полости с испаряемым металлом и образования каверны не очевиден и является экспериментальным фактом. Сформированный под избыточным давлением из полузакрытого объема тигля поток пара металла обладает существенными дополнительными преимуществами, в частности, повышается эффективность использования испаряемого металла и степень ионизации, сужается конус направленности испаряемого потока. Так как этот поток металла имеет высокую плотность, скорость истечения и ионизации, то термоэмиссионный катод (который может иметь кольцевую, спиралевидную форму и т.д.) преимущественно должен находиться вне зоны конуса истечения данного потока, в противном случае резко сокращается его срок службы.
В качестве испаряемых металлов могут использоваться, например, медь, алюминий, золото, серебро, никель.
Ограничивающая диафрагма может быть выполнена из металла с высокой температурой плавления, например молибдена, вольфрама, ниобия и т.д., а также из высокотемпературной керамики (алундовой и др.).
Пример 1. При использовании цилиндрического тигля (внешний диаметр - 19 мм, внутренний диаметр - 16 мм), изготовленного из молибдена, с ограничивающей диафрагмой, имеющей сквозной канал (минимальный диаметр - 6 мм), и использовании спиралевидного катода, изготовленного из вольфрамовой проволоки диаметром 1 мм, легированной лантаном, в испарителе при испарении меди удалось получить следующие параметры накачки устройства: ток 1 А и напряжение 980 В, а при токе 3 А напряжение опустилось до 650 В, что более чем в 3 раза превосходит аналогичные параметры по вводимой мощности в тигель, приведенные в качестве примера в [Никитин М.М., Клебанов Г.Н., Рыкалин Н.Н., Шоршоров М.Х., Демин Е.П. и Попович Б.А. Способ электронно-лучевого напыления. А.с. №213553, МКИ В23К 23/00, №1101360/25-27, заявлено 14.09.1966, опубликовано 25.08.1976, Бюллетень №31]. Минимальный зазор между катодом и тиглем равен 3 мм.