UA13134U

UA13134U - An ionized vapor flow source

Info

Publication number: UA13134U
Application number: UAU200509124U
Authority: UA
Inventors: Anatolii Ivanovych Kuzmichev; Leonid Yuriiovych Tsybulskyi
Original assignee: Kyiv Polytechnical Institute
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2006-03-15

Abstract

An ionized vapor flow source contains crucible, filled with evaporated material which is located inside the inductor. The crucible contains thermoemission insert made in the form of ring from material with great specific thermoemission and disposed in the upper part of crucible.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Корисна модель відноситься до області нанесення покриттів у вакуумі з іонною стимуляцією (асистуванням), 2 ї може бути використана в пристроях, призначених для одержання потоків іонізованої пари в процесах осадження покриттів методом конденсації пари з іонним бомбардуванням.The useful model refers to the field of applying coatings in a vacuum with ion stimulation (assistance), the 2nd can be used in devices designed to receive streams of ionized steam in processes of deposition of coatings by the method of vapor condensation with ion bombardment.

Відомі джерела частково іонізованого парового потоку для нанесення покриттів у вакуумі, у яких паровий потік одержують за допомогою індукційного нагрівання тигля з матеріалом, що випаровується, а іонізація пари здійснюється різними методами. Наприклад, у |1| описаний пристрій, що містить додатковий індуктор 70 (індуктор-іонізатор), розташований над тиглем з індуктором-нагрівачем. У Ї2| над тиглем (4 індуктором-нагрівачем розташовується розжарений катод, що розігрівається електричним струмом. У цьому пристрої катод емітує електрони в паровий потік, що забезпечують виникнення і підтримку іонізуючого розряду.Known sources of partially ionized vapor flow for applying coatings in vacuum, in which the vapor flow is obtained by induction heating of a crucible with vaporizing material, and ionization of the vapor is carried out by various methods. For example, in |1| described device containing an additional inductor 70 (inductor-ionizer) located above a crucible with an inductor-heater. In Y2| above the crucible (4 inductor-heater is a red-hot cathode, which is heated by electric current. In this device, the cathode emits electrons into the steam flow, which ensure the occurrence and maintenance of an ionizing discharge.

Найбільш близьким по технічній сутності до пропонованого пристрою є джерело частково іонізованого парового потоку з індукційним нагріванням тигля |З). У цьому пристрої тигель виконаний у вигляді циліндричної 79 склянки, нижня частина якого заповнена розплавленим металом, а стінки незаповненої частини тигля служать порожнинним катодом для підтримки розряду в середовищі пари, тобто іонізації її молекул. Поверхня порожнинного катода емітує електрони під дією бомбардування іонами з паро-плазмового потоку.The closest in terms of technical essence to the proposed device is a source of partially ionized steam flow with induction heating of the crucible |Z). In this device, the crucible is made in the form of a cylindrical 79 glass, the lower part of which is filled with molten metal, and the walls of the unfilled part of the crucible serve as a hollow cathode to maintain a discharge in the vapor medium, i.e. ionization of its molecules. The surface of the hollow cathode emits electrons under the influence of ion bombardment from the vapor-plasma flow.

Джерело |З) має ряд істотних недоліків. По-перше, іонізація пари в цьому пристрої відбувається в розряді самостійного типу, у якому генерація іонів і електронів є взаємозалежним процесом (немає іонів - немає електронів і навпаки), що перешкоджає виникненню порожнинно-катодного розряду. По-друге, у пристрої використовується явище іонно-електронної емісії, що існує при розрядній напрузі від сотень вольтів до одиниць кіловольтів, але при цьому відбувається іонне розпилення стінок тигля і забруднення плівок матеріалом тигля.Source |Z) has a number of significant shortcomings. First, ionization of steam in this device occurs in a self-contained discharge, in which the generation of ions and electrons is an interdependent process (no ions - no electrons and vice versa), which prevents the occurrence of a cavity-cathode discharge. Secondly, the device uses the phenomenon of ion-electron emission, which exists at a discharge voltage from hundreds of volts to units of kilovolts, but at the same time ion sputtering of the crucible walls and contamination of films with crucible material occurs.

По-третє, порожнинно-катодний розряд має місце, коли висота стінок тигля, вільних від розплаву, більше внутрішнього діаметра тигля. Це не дозволяє цілком використовувати об'єм тигля і призводить до залежності 22 характеристик розряду від рівня розплавленого металу в ньому, що знижує технологічний ресурс джерела. -оThirdly, the cavity-cathode discharge occurs when the height of the crucible walls, free of melt, is greater than the inner diameter of the crucible. This does not allow to fully use the volume of the crucible and leads to the dependence of 22 discharge characteristics on the level of molten metal in it, which reduces the technological resource of the source. -at

Задачею корисної моделі є поліпшення характеристик джерела іонізованого парового потоку, що забезпечить умови виникнення розряду при зменшенні розрядної напруги та зменшення забруднення покриття матеріалом тигля, а так само зниження залежності характеристик розряду від рівня розплавленого металу в тиглі.The task of a useful model is to improve the characteristics of the ionized vapor flow source, which will ensure the conditions for the occurrence of a discharge when the discharge voltage is reduced and the contamination of the coating with the crucible material is reduced, as well as reducing the dependence of the discharge characteristics on the level of molten metal in the crucible.

Поставлена задача вирішується тим, що джерело іонізованого парового потоку містить тигель розташований М усередині індуктора та заповнений матеріалом, що випаровується. Новим є те, що тигель має термоемісійну се вставку, виконану у вигляді кільця з матеріалу з великою питомою термоемісією, і розташовану у верхній частині тигля. --The problem is solved by the fact that the source of the ionized vapor flow contains a crucible located M inside the inductor and filled with material that evaporates. What is new is that the crucible has a heat-emissive se insert, made in the form of a ring made of a material with a high specific heat emission, and located in the upper part of the crucible. --

Крім того, у джерелі іонізованого парового потоку новим є те, що тигель у своїй частині що охоплює («З термоемісійну вставку, має радіальне потовщення стінки назовні. 3о Крім того, у джерелі іонізованого парового потоку новим є те, що тигель в області термоемісійної вставки -- містить внутрішньою циліндричною перегородкою, що відокремлює термоемісійну вставку від внутрішньої порожнини тигля і виконана за одне ціле з тілом тигля;In addition, in the source of the ionized vapor flow, the new thing is that the crucible in its part covering the thermo-emissive insert has a radial thickening of the wall to the outside. -- contains an internal cylindrical partition that separates the thermoemissive insert from the inner cavity of the crucible and is made integral with the body of the crucible;

Крім того, у джерелі іонізованого парового потоку новим є те, що тигель у верхній частині по зовнішньому « краю містить циліндричний виступ вгору уздовж або під кутом до зовнішньої утворюючої поверхні тигля. З 70 На Фіг.1 представлено схематично загальний вигляд джерела іонізованого парового потоку. с На Фіг.2-Фіг.4 наведено приклади виконання джерела.In addition, the source of the ionized vapor flow is new in that the crucible in the upper part along the outer " edge contains a cylindrical projection upwards along or at an angle to the outer forming surface of the crucible. From 70 Figure 1 shows a schematic general view of the source of the ionized vapor flow. c Fig. 2-Fig. 4 show examples of the implementation of the source.

Із» Джерело містить тигель 1 зі струмопровідного матеріалу. У нижній частині тигля знаходиться розплав металу 2, що випаровується. Навколо тигля розташований індуктор З, підключений до ВЧ генератора, що працює на частоті 66-440кГц. У верхній частині тигля утримується вставка 4 з матеріалу з питомою термоемісією більше - 395 1мА/см2 при температурі 1200-15002С, що забезпечується при нагріванні тигля при випарі матеріалу 2. Верхній виток індуктора виступає над верхнім краєм тигля. Нижній виток індуктора заземлюється. Над тиглем (95) розташована підкладка 5, на яку направляється потік іонізованої пари 6 з тигля. Між індуктором і тиглем може - розміщуватися циліндричний тепловий екран 7 з діелектрика або металу.From" The source contains a crucible 1 of conductive material. In the lower part of the crucible there is molten metal 2, which evaporates. Around the crucible there is an inductor Z connected to a high-frequency generator operating at a frequency of 66-440kHz. In the upper part of the crucible, there is an insert 4 made of a material with a specific thermal emission greater than 395 1mA/cm2 at a temperature of 1200-15002С, which is provided when the crucible is heated during the evaporation of material 2. The upper turn of the inductor protrudes above the upper edge of the crucible. The lower winding of the inductor is grounded. Above the crucible (95) there is a substrate 5, on which the flow of ionized steam 6 from the crucible is directed. A cylindrical heat shield 7 made of dielectric or metal can be placed between the inductor and the crucible.

На Фіг.2 зображено джерело, у якого верхній край тигля 1 має радіальне потовщення назовні стінки 8, яке (95) 50 наближене до витка індуктора З для збільшення електромагнітного зв'язку з індуктором і збільшенняFigure 2 shows a source in which the upper edge of the crucible 1 has a radial thickening of the outer wall 8, which (95) 50 is close to the coil of the inductor C to increase the electromagnetic connection with the inductor and increase

І» температури термоемісійної вставки 4. Перегрів вставки 4 щодо температури нагрівання матеріалу 2 забезпечує більш інтенсивний випар з її поверхні, тобто очищення поверхні вставки від парових часток, що конденсуються, збільшення струму термоелектронної емісії і збереження її характеристик у продовж тривалого часу.I" of the temperature of the thermoemission insert 4. Overheating of the insert 4 relative to the heating temperature of material 2 ensures more intense evaporation from its surface, i.e. cleaning the surface of the insert from condensing vapor particles, increasing the thermoelectron emission current and preserving its characteristics for a long time.

На Фіг.3 зображено джерело, у якому тигель 1 має циліндричну перегородку 9, що відокремлює термоемісійну вставку 4 від порожнини тигля і захищає її від впливу парового потоку 6. У цьому пристрої с вставка 4 являє собою торцеву вкладку.Fig. 3 shows a source in which the crucible 1 has a cylindrical partition 9, which separates the thermal emission insert 4 from the crucible cavity and protects it from the influence of the steam flow 6. In this device, the insert 4 is an end tab.

На Фіг.4 зображено джерело, у тиглі 1 якого верхній зовнішній край 10 виступає нагору відносно вставки 4 вздовж або під кутом до зовнішньої утворюючої поверхні тигля. Край 10 бере участь у формуванні електричного поля між індуктором З і тиглем 1: запобігає дрейфу електронів по прямим траєкторіям на індуктор, викривляє бо траєкторії електронів у розряді, робить їх довшими чим оптимізує. Це призводить до зростання вірогідності зіткнення електронів з молекулами парового потоку та підвищення ефективності іонізації в паровому потоці 6.Figure 4 shows a source in the crucible 1, the upper outer edge 10 of which protrudes upwards relative to the insert 4 along or at an angle to the outer forming surface of the crucible. Edge 10 participates in the formation of the electric field between the inductor C and the crucible 1: it prevents the drift of electrons along straight paths to the inductor, because it distorts the paths of electrons in the discharge, makes them longer and optimizes them. This leads to an increase in the probability of collision of electrons with molecules of the vapor stream and an increase in the efficiency of ionization in the vapor stream 6.

Матеріали тигля 1 і вставки 4 повинні бути інертні стосовно матеріалу 2, що випаровується. Наприклад, при випарі міді або золота в якості матеріалу тигля можуть бути використані молібден або графіт, а в якості матеріалу термоемісійної вставки - гексаборид лантану (ГаВе). Гексаборид лантанова вставка може бути у 65 вигляді монокристалічного тіла, або у вигляді спеченого порошку Гав 5 або спеченої композиції з мікропорошків тугоплавких металів (молібдену, вольфраму) і порошку ГаВо, або ж у вигляді шару ГаВ 5, що плазменно осаджений на тугоплавку основу.The materials of the crucible 1 and the insert 4 must be inert with respect to the material 2 that evaporates. For example, when evaporating copper or gold, molybdenum or graphite can be used as a crucible material, and lanthanum hexaboride (HaVe) as a thermoemission insert material. The lanthanum hexaboride insert can be in the form of a single crystal body, or in the form of a sintered powder of GaV 5 or a sintered composition of micropowders of refractory metals (molybdenum, tungsten) and GaVo powder, or in the form of a layer of GaV 5 that is plasma deposited on a refractory base.

Джерело працює таким чином.The source works like this.

У тигель завантажують матеріал, що випаровується, а над ним закріплюють підкладку або підкладки, на які наноситься покриття. У технологічній камері вакуумної установки, де розташовано підготовлений пристрій, знижують тиск нижче 107 Па. На індуктор З подають напругу від ВЧ генератора. Вихрові струми, що наводяться індуктором у тілі тигля, розігрівають його до високої температури. При цьому також розігрівається матеріал 2, що випаровується. 70 При нагріванні тигля 1 і матеріалу 2, що випаровується, також розігрівається вставка 4, що при температурах випару матеріалу 2 інтенсивно емітує термоелектрони зі своєї поверхні в порожнину тигля і над його краєм. При концентрації термоелектронів у паровому потоці 6, достатньої для ефективної іонізації парових часток, виникає газовий розряд у паровому середовищі під впливом ВЧ поля індуктора 3.The evaporating material is loaded into the crucible, and a substrate or substrates on which the coating is applied is fixed over it. In the technological chamber of the vacuum installation, where the prepared device is located, the pressure is reduced below 107 Pa. The voltage from the RF generator is applied to the inductor C. Eddy currents induced by the inductor in the body of the crucible heat it to a high temperature. At the same time, the evaporating material 2 is also heated. 70 When heating the crucible 1 and the evaporating material 2, the insert 4 is also heated, which at the vaporization temperatures of the material 2 intensively emits thermoelectrons from its surface into the cavity of the crucible and above its edge. When the concentration of thermoelectrons in the vapor flow 6 is sufficient for effective ionization of vapor particles, a gas discharge occurs in the vapor medium under the influence of the RF field of the inductor 3.

Керування потужністю розряду може здійснюватися, як шляхом керування потужністю, що підводиться до ВЧ 75 індуктора, так і положенням верхнього краю тигля 1 відносно витків індуктора З. При цьому потужність розряду не залежить від кількості матеріалу 2, що випаровується, у тиглі, тобто від висоти стінок над матеріалом 2.Control of the discharge power can be carried out both by controlling the power supplied to the HF 75 of the inductor and by the position of the upper edge of the crucible 1 relative to the turns of the inductor Z. At the same time, the discharge power does not depend on the amount of material 2 that evaporates in the crucible, that is, on the height walls above the material 2.

Завдяки високій концентрації термоелектронів досить прикласти напругу між тиглем і верхнім витком індуктора на рівні ЗО вольтів, щоб виник і підтримувався іонізуючий розряд у паровому потоці. Низька розрядна напруга запобігає іонному розпиленню стінок тигля 1, не приводить до руйнування термоемісійної вставки 4 і забрудненню покриття на підкладці матеріалами тигля і вставки.Due to the high concentration of thermoelectrons, it is enough to apply a voltage between the crucible and the upper coil of the inductor at the level of 30 volts to generate and maintain an ionizing discharge in the vapor stream. The low discharge voltage prevents ion sputtering of the walls of the crucible 1, does not lead to the destruction of the thermal emission insert 4 and contamination of the coating on the substrate with the materials of the crucible and the insert.

Паровий потік направляється до поверхні підкладки 6 і конденсується на ній з утворенням покриття. При подачі на підкладку напруги негативного зсуву, іони пари прискорюються і бомбардують поверхню покриття, що приводить до поліпшення його властивостей (підвищення щільності покриття, зниження концентрації домішки і щільності дефектів). Оскільки іони утворяться в результаті іонізації пари матеріалу, що осаджується, вони його не забруднюють.The steam stream is directed to the surface of the substrate 6 and condenses on it to form a coating. When a negative shear voltage is applied to the substrate, the vapor ions accelerate and bombard the surface of the coating, which leads to an improvement in its properties (increasing the density of the coating, reducing the concentration of impurities and the density of defects). Since the ions will be formed as a result of the vapor ionization of the deposited material, they do not contaminate it.

Для більш ефективного використання термоемісійної вставки 4 здійснюють перегрів верхнього краю тигля 1 З відносно матеріалу 2, що випаровується, застосовуючи для цього конструкцію тигля 1 з радіальним виступом 8 (Фіг.2). Виступ забезпечує локальне збільшення електромагнітного зв'язку з індуктором і, як наслідок, місцевий перегрів тигля та термоемісійної вставки 4. Це запобігає конденсації матеріалу 2, що випаровується, «І зо на поверхні вставки 4 і забезпечує зростання струму емісії термоелектронів. Для захисту поверхні вставки 2 від парового потоку також можна застосувати конструкцію тигля з циліндричною перегородкою 9 (Фіг.3). оFor more effective use of the thermo-emissive insert 4, the upper edge of the crucible 1 C is overheated relative to the evaporating material 2, using for this purpose the design of the crucible 1 with a radial protrusion 8 (Fig. 2). The protrusion provides a local increase in the electromagnetic connection with the inductor and, as a result, local overheating of the crucible and thermoemission insert 4. This prevents the condensation of the evaporated material 2, "Izo" on the surface of the insert 4 and ensures the growth of the thermoelectron emission current. To protect the surface of the insert 2 from the steam flow, you can also use a crucible design with a cylindrical partition 9 (Fig. 3). at

Для підвищення ефективності іонізації пропонується використовувати тигель 1, у якого зовнішній край 10 «ч- виступає нагору щодо вставки 4 (Фіг.4). Застосування такої конструкції забезпечить подовження дрейфових траєкторій електронів у паровому потоці, зростання вірогідності зіткнення електронів з паровими молекулами і оTo increase the efficiency of ionization, it is suggested to use the crucible 1, in which the outer edge of 10 "h- protrudes upwards in relation to the insert 4 (Fig. 4). The use of such a design will ensure the lengthening of the drift trajectories of electrons in the steam flow, the increase in the probability of collision of electrons with steam molecules, and

Їх іонізації. «--Their ionization. "--

Джерела: 1. АС СРСР Мо1194040. 2. АС СРСР Мо1176635. «Sources: 1. AS USSR Mo1194040. 2. AS USSR Mo1176635. "

З. А.И.Кузьмичев, Л.Ю.Цьібульский. Термоіїонний пристрій з індукційним випарником. Прилади і техніка експерименту, М:, 1992. Мо2, с.262-264. - с "зZ. A. I. Kuzmychev, L. Yu. Tsibulsky. Thermoion device with induction vaporizer. Devices and experimental equipment, M:, 1992. Mo2, pp. 262-264. - with "z

Claims

The formula of the invention

1. A source of ionized vapor flow, containing a crucible filled with vaporized material, which is located inside the inductor, which is characterized by the fact that the crucible contains a thermal emission insert, made in the form of a ring made of a material with a high specific thermal emission, and located in the upper part of the crucible.

o 2. The source according to claim 1, which differs in that the crucible in its part covering the thermo-emissive insert has - a radial thickening of the wall outwards.

C. The source according to claim 1 or claim 2, which differs in that the crucible in the region of the thermo-emissive insert contains an internal cylindrical partition that separates the thermo-emissive insert from the inner cavity of the crucible and is made integral with the body of the crucible.

4. The source according to claim 1 or claim 2 or claim 3, which is characterized by the fact that the crucible in the upper part along the outer edge contains a cylindrical projection upwards along or at an angle to the outer surface of the crucible. p. 60 b5