RU2039849C1

RU2039849C1 - Vacuum arc unit

Info

Publication number: RU2039849C1
Authority: RU
Inventors: И.С. Абрамов; Ю.А. Быстров; Д.В. Верещагин; А.А. Лисенков; В.Н. Шаронов
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им.Ульянова (Ленина)
Priority date: 1992-03-09
Filing date: 1992-03-09
Publication date: 1995-07-20

Abstract

FIELD: production of electronic instruments. SUBSTANCE: vacuum arc unit has separator disposed in working chamber on the way of plasma flow between evaporator and substrate holder. Separator has a set of conical rings, whose generatrices are positioned in parallel one with respect to the other. All rings are faced towards evaporator with their large ends, with larger diameter of each ring at least being equal to smaller diameter of inner larger ring. Separator is further provided with disk hawing center coinciding with system axis. Diameter of disk is at least equal to minimum diameter of inner ring. The set of rings makes continuous barrier for particles moving in plasma flow along rectilinear path. Auxiliary solenoid positioned behind substrate holder provides for increased coefficient of passage of plasma flow charged component and coating growth rate. EFFECT: increased efficiency in removal of micro and macro drops and neutral particles, which deteriorate coating, from plasma flow. 3 dwg

Description

Изобретение относится к вакумно-плазменной технологии и может быть применено, например, для нанесения покрытий в производстве электронных приборов. The invention relates to vacuum-plasma technology and can be used, for example, for coating in the manufacture of electronic devices.

В последние годы широкое распространение получила технология нанесения покрытий, основанная на применении потоков металлической плазмы, получаемых с помощью вакуумно-дуговых устройств. Использование данной технологии позволяет интенсифицировать процесс нанесения покрытий, обеспечить высокую их чистоту и хорошую адгезию. Однако продукты эрозии, разлетающиеся с рабочей поверхности катода, содержат не только ионизированные пары материала, но и заметное количество макрочастиц твердых осколков и микрокапель, которые снижают качество и равномерность формируемого покрытия по толщине, тем самым сужая область применения. In recent years, coating technology based on the use of metal plasma streams obtained using vacuum-arc devices has become widespread. Using this technology allows you to intensify the coating process, to ensure their high purity and good adhesion. However, erosion products flying from the working surface of the cathode contain not only ionized material vapors, but also a noticeable amount of particulate solid fragments and microdrops, which reduce the quality and uniformity of the formed coating in thickness, thereby narrowing the scope.

В вакуумно-дуговом устройстве с целью повышения качества наносимого покрытия предусмотрено удаление из плазменного потока нейтралов и макрокапель. Очистка осуществляется при транспортировке потока плазмы в криволинейном плазмоводе, в котором созданы продольное магнитное и радиальное электрическое поля. Макрочастицы, двигаясь прямолинейно, оседают на внутренней поверхности плазмовода, а ионы продвигаются в направлении вакуумной камеры, где происходит их конденсация на обрабатываемой поверхности. In a vacuum-arc device, in order to improve the quality of the applied coating, it is possible to remove neutrals and macrodrops from the plasma stream. Cleaning is carried out during transportation of the plasma stream in a curved plasma duct in which longitudinal magnetic and radial electric fields are created. The particles moving rectilinearly settle on the inner surface of the plasma duct, and the ions move in the direction of the vacuum chamber, where they condense on the treated surface.

В известных устройствах разделение нейтрального и заряженного компонентов плазменного потока осуществляется в вакуумной камере за счет отклонения заряженной компоненты соответственно на 90^о и 180^о, что достигается с помощью магнитных систем, которые включены встречно магнитной системе источника плазмы.In known devices, the separation of the neutral and charged components of the plasma stream is carried out in a vacuum chamber due to the deflection of the charged component by 90 ^° and 180 ^° , respectively, which is achieved using magnetic systems that are connected counter-to the magnetic system of the plasma source.

Использование рассмотренных вакуумно-дуговых устройств для нанесения покрытий на практике затруднено из-за сложности их реализации. The use of the considered vacuum-arc devices for coating in practice is difficult due to the complexity of their implementation.

Сепарация заряженных и нейтральных компонентов плазмы может быть осуществлена и с помощью других, более простых в конструктивном отношении, устройствах. В этом случае на пути плазменного потока устанавливают дополнительный соленоид. Нейтральные пары и макрочастицы движутся прямолинейно и оседают как на охлаждаемых стенках плазмовода, так и на контуре дополнительного соленоида, не достигая при этом выхода устройства и не попадая на обрабатываемое изделие. Заряженная же компонента плазмы, двигаясь вдоль магнитных силовых линий, транспортируется к поверхности подложки. The separation of charged and neutral plasma components can also be carried out using other, more structurally simple devices. In this case, an additional solenoid is installed in the path of the plasma flow. Neutral vapors and particles move rectilinearly and settle both on the cooled walls of the plasma duct and on the contour of the additional solenoid, without reaching the output of the device and not falling onto the workpiece. The charged plasma component, moving along the magnetic field lines, is transported to the surface of the substrate.

Недостатком систем подобного типа является то, что дополнительный соленоид, расположенный на пути плазменного потока, подвергается мощному тепловому воздействию, приводящему в конечном результате к выходу его из строя. A disadvantage of systems of this type is that an additional solenoid located in the path of the plasma stream is subjected to powerful thermal action, which ultimately leads to its failure.

Наиболее близким по совокупности признаков является устройство, выбранное авторами за прототип. Данное устройство содержит сепаратор, расположенный между испарителем и подложкодержателем. Сепаратор выполнен в виде соосно расположенных конических колец и конуса, размещенного по их оси основанием в сторону подложкодержателя, при этом наружное и внутреннее кольца ориентированы меньшим диаметром в сторону подложкодержателя, а четные большим диаметром в сторону испарителя. Внутренние диаметры наружного и нечетных колец не превышают наружного диаметра четных колец, а нечетно установлены с зазором относительно четных колец. На сторонах конуса и колец, обращенных в сторону подложкодержателя, расположены магниты, которые в процессе работы сжимают плазменный поток и направляют его в зазоры между конусом и коническими кольцами. The closest set of features is the device selected by the authors for the prototype. This device contains a separator located between the evaporator and the substrate holder. The separator is made in the form of coaxially arranged conical rings and a cone placed along their axis with the base towards the substrate holder, while the outer and inner rings are oriented with a smaller diameter towards the substrate holder, and even ones with a larger diameter towards the evaporator. The inner diameters of the outer and odd rings do not exceed the outer diameter of the even rings, but are oddly installed with a gap relative to the even rings. Magnets are located on the sides of the cone and the rings facing the substrate holder, which compress the plasma stream during operation and direct it into the gaps between the cone and the conical rings.

Рассматривая данную систему, нетрудно заметить, что основным элементом конструкции является расположенный на оси основанием к подложкодержателю конус с магнитопроводом, который в данном случае выполняет функцию "магнитного" острова. Для создания сплошного барьера, препятствующего прохождению капель и нейтральных частиц, "магнитный" остров конструктивно дополнен коническими кольцами сложной формы, которые ориентированы относительно катода в зависимости от своего порядкового номера большим или меньшим диаметром в его сторону. Реализация подобного типа сепаратора на практике является сложной технической задачей, а использование магнитопровода, расположенного на внутренних поверхностях конических колец, сокращает время его эксплуатации, так как частицы осаждают на поверхности сепаратора, обращенной к катоду, подвергая его мощному тепловому воздействию. Considering this system, it is easy to notice that the main structural element is a cone with a magnetic core located on the axis of the base to the substrate holder, which in this case acts as a “magnetic” island. To create a continuous barrier preventing the passage of droplets and neutral particles, the "magnetic" island is structurally supplemented with conical rings of complex shape, which are oriented relative to the cathode, depending on their serial number, with a larger or smaller diameter in its direction. The implementation of this type of separator in practice is a difficult technical task, and the use of a magnetic circuit located on the inner surfaces of the conical rings shortens its operating time, since particles are deposited on the surface of the separator facing the cathode, exposing it to powerful heat.

Целью изобретения является создание вакуумно-дугового устройства с упрощенной конструкцией сепаратора. The aim of the invention is to create a vacuum arc device with a simplified design of the separator.

Цель достигается за счет того, что в вакуумно-дуговом устройстве, содержащем подложкодержатель и сепаратор с магнитной системой, расположенной между ними, сепаратор состоит из набора конических колец, образующие которых параллельны друг другу, все кольца обращены большим диаметром к испарителю, при этом больший диаметр кольца не меньше меньшего диаметра следующего большего кольца и диска, центр которого совпадает с осью системы и диаметром не меньше меньшего диаметра внутреннего кольца, а за подложкодержателем установлен дополнительный селоноид. The goal is achieved due to the fact that in a vacuum-arc device containing a substrate holder and a separator with a magnetic system located between them, the separator consists of a set of conical rings, which form parallel to each other, all rings face a large diameter to the evaporator, with a larger diameter rings not less than the smaller diameter of the next larger ring and disk, the center of which coincides with the axis of the system and a diameter not less than the smaller diameter of the inner ring, and an additional holder is installed behind the substrate holder th selonoid.

Предлагаемая конструкция устройства отличается от известной. В известном устройстве ориентировка усеченных конических колец в зависимости от их порядкового номера осуществляется или большим, или меньшим диаметром в сторону испарителя, а по оси расположен конус, выполняющий функцию "магнитного" острова. Для транспортировки заряженной компоненты плазмы используется сопровождающее магнитное поле, формируемое магнитами, расположенными на образующих конусов. The proposed device design differs from the known. In the known device, the orientation of the truncated conical rings, depending on their serial number, is carried out either by a larger or smaller diameter towards the evaporator, and a cone, acting as a “magnetic” island, is located on the axis. To transport the charged plasma component, an accompanying magnetic field is used, formed by magnets located on the generatrices of the cones.

В предлагаемом устройстве все кольца сепаратора ориентированы большим диаметром в сторону катода, что существенно упрощает его конструкцию, а магнитная система, повышающая коэффициент прохождения заряженной компоненты плазмы, расположена за подложкодержателем и выполнена в виде соленоида, при этом следует отметить, что в данном случае устранена полная возможность теплового воздействия плазменного потока на соленоид. In the proposed device, all separator rings are oriented with a large diameter towards the cathode, which greatly simplifies its design, and the magnetic system that increases the transmission coefficient of the charged plasma component is located behind the substrate holder and is made in the form of a solenoid, it should be noted that in this case the complete the possibility of thermal effects of the plasma flow on the solenoid.

Указанные отличия принципиальны для известного и предлагаемого устройств. These differences are fundamental for the known and proposed devices.

Заявляемая совокупность признаков изобретения авторам не известна. Вся заявляемая совокупность признаков в результате взаимодействия позволила упростить конструкцию устройства. The claimed combination of features of the invention is not known to the authors. The entire claimed combination of features as a result of the interaction made it possible to simplify the design of the device.

На фиг. 1 конструкция вакуумно-дугового устройства; на фиг. 2 зависимость отношения плотности ионного тока при наличии сепаратора и его отсутствии для различных углов наклона конических колец; на фиг. 3 влияние магнитного поля на коэффициент прохождения заряженной компоненты плазменного потока. In FIG. 1 design of a vacuum arc device; in FIG. 2 the dependence of the ratio of the ion current density in the presence of a separator and its absence for different tilt angles of the conical rings; in FIG. 3, the effect of a magnetic field on the transmission coefficient of a charged component of a plasma stream.

Вакуумно-дуговое устройство состоит из водоохлаждаемых анода 1 и цилиндрического катода 2, поджигающего электрода 3 и экрана 4. С внешней стороны анода 1 расположена магнитная система источника плазмы, включающая стабилизирующую 5 и фокусирующую 6 катушки. В рабочем объеме 7, на оси системы, установлен сепаратор 8, состоящий из конических колец 9 и диска 10, ось которого совпадает с осью системы. За сепаратором 8 расположены подложкодержатель 11 и магнитная система 12. The vacuum arc device consists of a water-cooled anode 1 and a cylindrical cathode 2, an igniting electrode 3 and a shield 4. On the outside of the anode 1 there is a magnetic plasma source system, including a stabilizing 5 and focusing 6 coils. In the working volume 7, on the axis of the system, a separator 8 is installed, consisting of conical rings 9 and a disk 10, the axis of which coincides with the axis of the system. Behind the separator 8 are a substrate holder 11 and a magnetic system 12.

Принцип действия данного устройства заключается в следующем. При подаче постоянного напряжения на электроды системы (анод 1 плюс, катод 2 минус) и при подаче поджигающего импульса не боковой поверхности катода 2 формируется катодное пятно, которое под воздействием магнитного поля источника плазмы (5, 6) выводится на его рабочую поверхность и удерживается на ней. Поток эрозионной плазмы материала катода под действием электрического поля, форма эквипотенциалей которого определяется топографией магнитного поля, направляется в вакуумную камеру 7, где на его пути установлен сепаратор 8. The principle of operation of this device is as follows. When a constant voltage is applied to the electrodes of the system (anode 1 plus, cathode 2 minus) and when a firing pulse is applied to a non-lateral surface of cathode 2, a cathode spot is formed, which is exposed to the plasma source’s magnetic field (5, 6) and is held on her. The flow of erosive plasma of the cathode material under the action of an electric field, the shape of the equipotentials of which is determined by the topography of the magnetic field, is sent to the vacuum chamber 7, where a separator 8 is installed in its path.

Конструктивно сепаратор выполнен так, что за счет использования предлагаемого набора конических колец 9, когда больший диаметр кольца не меньше меньшего диаметра следующего большего кольца, и диска 10, диаметр которого перекрывает выходное отверстие меньшего конического кольца, удается создать сплошной непроходимый барьер для микро- и макрокапель, а также нейтральных частиц, находящихся в плазменном потоке и имеющих прямолинейные траектории. В этом случае их осаждение осуществляется на поверхности сепаратора, обращенной в сторону катода, исключая тем самым возможность их попадания на обрабатываемую поверхность подложкодержателя. Structurally, the separator is designed so that by using the proposed set of conical rings 9, when the larger diameter of the ring is not less than the smaller diameter of the next larger ring, and the disk 10, the diameter of which overlaps the outlet of the smaller conical ring, it is possible to create a solid impenetrable barrier for micro- and macrodrops , as well as neutral particles in the plasma stream and having rectilinear trajectories. In this case, their deposition is carried out on the surface of the separator facing the cathode, thereby eliminating the possibility of their falling on the treated surface of the substrate holder.

На фиг. 1 графически указано несколько возможных траекторий движения частиц, из которых видно, что их проникновение за сепаратор полностью исключено. In FIG. Figure 1 graphically indicates several possible particle paths, from which it can be seen that their penetration beyond the separator is completely excluded.

Заряженная компонента плазменного потока, двигаясь со скоростью порядка 10⁴ м/с, обладает высокой проникающей способностью, что и обеспечивает возможность частичного ее прохождения сквозь объем сепаратора. Основным параметром, характеризующим прохождение заряженной компоненты плазменного потока, является плотность плазмы. Изменение плотности ионного тока в этом случае может служить как критерием эффективности прохождения, так и определять достигаемую производительность, определяемую скоростью роста наносимого покрытия V_р и связанную с параметрами плазменного потока следующим образом:
v_р= j

где j_i плотность тока ионов; κ и S коэффициенты аккомодации ионов и распыления ими поверхности; q заряд одного иона; n₀ -4 концентрация атомов в наносимом покрытии.The charged component of the plasma stream, moving at a speed of the order of 10 ⁴ m / s, has a high penetrating ability, which makes it possible to partially pass through the separator volume. The main parameter characterizing the passage of the charged component of the plasma stream is the plasma density. The change in the ion current density in this case can serve both as a criterion for the transmission efficiency and determine the achieved productivity, determined by the growth rate of the applied coating V _p and related to the parameters of the plasma flow as follows:
v _p = j

where j _i is the ion current density; κ and S are the coefficients of accommodation of ions and their surface spraying; q charge of one ion; n ₀ -4 is the concentration of atoms in the applied coating.

Из приведенного выражения видно, что при полной очистке плазменного потока скорость роста формируемого покрытия определяется плотностью ионного тока на подложкодержатель. It can be seen from the above expression that, when the plasma stream is completely purified, the growth rate of the formed coating is determined by the density of the ion current to the substrate holder.

Сепаратор 8 был изготовлен из немагнитного материала толщиной не более 1 мм. Конические кольца 9 крепились на каркасе, центром которого являлся диск 10. Наибольший диаметр конического кольца определялся внутренним диаметром анода и не превышал 110 мм. Диаметр диска на оси равнялся 10 мм. В процессе работы исследовались сепараторы с различным углом наклона образующих к плазменному потоку (15, 30 и 45^о), в которых изменялась как ширина зазора между коническими кольцами, так и ширина самих колец.The separator 8 was made of non-magnetic material with a thickness of not more than 1 mm. The conical rings 9 were mounted on the frame, the center of which was the disk 10. The largest diameter of the conical ring was determined by the inner diameter of the anode and did not exceed 110 mm. The diameter of the disk on the axis was 10 mm. In operation, the separators were investigated with different angles of inclination to the plasma stream generators (15, 30 and 45 ^a) in which was varied the width of the gap between the conical rings and the width of the rings themselves.

Результаты, характеризующие прохождение плазменного потока, представлены на фиг. 2 в виде зависимости отношения плотности ионного тока при наличии сепаратора и при его отсутствии для различных углов наклона конических колец, при этом ширина колец во всех случаях равнялась 12 мм. The results characterizing the passage of the plasma stream are shown in FIG. 2 in the form of the dependence of the ratio of the ion current density in the presence of a separator and in the absence of it for various tilt angles of the conical rings, while the ring width in all cases was 12 mm.

Из графика видно, что плазменный поток проходит сквозь сепаратор с достаточно большими потерями коэффициент прохождения не превышает 15% (кривая 13). Столь невысокий коэффициент прохождения можно объяснить тем, что движение заряженной компоненты плазменного потока осуществляется в убывающем аксиально-симметричном магнитном поле источника плазмы, создаваемом стабилизирующей 5 и фокусирующей 6 катушками, расположенными с внешней стороны анода 1. Данное условие приводит к расширению плазменного потока. Сепаратор в процессе работы находится под плавающим потенциалом. Наклон колец сепаратора осуществлен к оси системы, что и затрудняет прохождение заряженных частиц. The graph shows that the plasma flow passes through the separator with sufficiently large losses, the transmission coefficient does not exceed 15% (curve 13). Such a low transmission coefficient can be explained by the fact that the movement of the charged component of the plasma stream is carried out in a decreasing axially symmetric magnetic field of the plasma source created by the stabilizing 5 and focusing 6 coils located on the outside of the anode 1. This condition leads to the expansion of the plasma stream. The separator in the process is at a floating potential. The inclination of the separator rings is carried out to the axis of the system, which complicates the passage of charged particles.

С целью повышения коэффициента прохождения плазмы и повышения скорости роста наносимого покрытия за подложкодержателем был установлен дополнительный соленоид. In order to increase the plasma transmission coefficient and increase the growth rate of the applied coating, an additional solenoid was installed behind the substrate holder.

Использование на практике магнитных систем управления обусловлено тем, что заряженная компонента плазмы достаточно легко захватывается магнитным полем и перемещается вдоль его силовых линий. Управляющие свойства магнитного поля зависят от геометрии силовых линий и поведения в пространстве модуля индукции магнитного поля B=

Собирающие или рассеивающие свойства создаваемого магнитного поля в рабочем объеме зависят от включения дополнительного соленоида относительно магнитной системы. Согласное их включение обеспечивает фокусировку плазменного потока. В этом случае силовые линии магнитного поля направлены к оси, что благоприятно сказывается на процессе транспортировки заряженной компоненты плазменного потока сквозь объем сепаратора, конические кольца которого имеют также наклон к оси.The use of magnetic control systems in practice is due to the fact that the charged plasma component is quite easily captured by the magnetic field and moves along its field lines. The controlling properties of the magnetic field depend on the geometry of the lines of force and the behavior in space of the magnetic field induction module B =

The collecting or scattering properties of the generated magnetic field in the working volume depend on the inclusion of an additional solenoid relative to the magnetic system. Consonant inclusion of them ensures focusing of the plasma flow. In this case, the magnetic field lines are directed towards the axis, which favorably affects the process of transporting the charged component of the plasma stream through the volume of the separator, the conical rings of which also have an inclination to the axis.

Эффективность системы транспортировки заряженной компоненты плазменного потока будет определяться геометрией используемого сепаратора и пространственным распределением управляющего магнитного поля, создаваемого дополнительным магнитным источником. The efficiency of the system for transporting the charged component of the plasma stream will be determined by the geometry of the separator used and the spatial distribution of the control magnetic field created by the additional magnetic source.

Кривая 14 (фиг. 2) наглядно иллюстрирует влияние сопровождающего магнитного поля на характер прохождения плазменного потока, приближая коэффициент прохождения к 45% при этом максимальный коэффициент прохождения для данной системы наблюдался при наклоне колец 30^о.Curve 14 (FIG. 2) illustrates the effect accompanying magnetic field on the plasma flow passage, approximating to the transmission coefficient of 45% with a maximum transmission coefficient for this system was observed at an inclination ^of 30 rings.

На фиг. 3 приведены графики влияния дополнительного магнитного поля на плотность ионного потока для сепаратора с углом наклона колец 30о при ширине колец 12 мм. In FIG. Figure 3 shows graphs of the effect of an additional magnetic field on the ion flux density for a separator with an angle of inclination of the rings of 30 ° with a ring width of 12 mm.

Дополнительный соленоид был выполнен в виде цилиндрической катушки с внутренним диаметром 70 мм и шириной 25 мм, при этом при пропускании через катушку тока в 1 А в центре катушки на ее оси создавалось магнитное поле напряженностью 10000 А/м. An additional solenoid was made in the form of a cylindrical coil with an inner diameter of 70 mm and a width of 25 mm, while passing a current of 1 A through the coil in the center of the coil, a magnetic field of 10,000 A / m was created on its axis.

Таким образом, авторами представлен и описан принцип действия сепаратора, обеспечивающего очистку плазменного потока от капель и нейтральных частиц, наличие которых на обрабатываемой поверхности снижает качество формируемого покрытия, а нередко и ограничивает области возможного использования данного метода. Thus, the authors presented and described the principle of the separator, which ensures the cleaning of the plasma stream from droplets and neutral particles, the presence of which on the treated surface reduces the quality of the formed coating, and often limits the areas of possible use of this method.

Практически предлагаемая конструкция вакуумно-дугового устройства была опробована для нанесения металлического покрытия на стеклянные матрицы по технологии изготовления вакуумно-люминесцентных индикаторов типа ИВ-28Б. The practically proposed design of the vacuum-arc device was tested for applying a metal coating to glass matrices using the manufacturing technology of vacuum-luminescent indicators of the type IV-28B.

Claims

VACUUM-ARC DEVICE, containing a substrate holder, an evaporator and a separator located between them, consisting of a set of conical rings, with a magnetic system, characterized in that the conical rings of the separator are concentrically arranged in one another and face large diameters to the evaporator, while the larger diameter of the ring does not smaller than the smaller diameter of the next larger ring, concentric with the rings on the evaporator side there is a disk with a diameter greater than or equal to the diameter of the inner ring, and the magnetic system is made in de solenoid mounted symmetrically over the substrate holder rings separator.