UA13134U - An ionized vapor flow source - Google Patents

Description

Опис винаходу

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.

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.

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.

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.

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. -о

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.

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. --

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;

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.

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.

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 збільшення

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.

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.

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.

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.

Джерело працює таким чином.

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.

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.

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.

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.

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). о

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 о

Їх іонізації. «--

Джерела: 1. АС СРСР Мо1194040. 2. АС СРСР Мо1176635. «

З. А.И.Кузьмичев, Л.Ю.Цьібульский. Термоіїонний пристрій з індукційним випарником. Прилади і техніка експерименту, М:, 1992. Мо2, с.262-264. - с "з

Claims (4)

Формула винаходу

1. Джерело іонізованого парового потоку, що містить тигель, заповнений випаровуваним матеріалом, що -к розташований усередині індуктора, яке відрізняється тим, що тигель містить термоемісійну вставку, виконану у вигляді кільця з матеріалу з великою питомою термоемісією, і розташовану у верхній частині тигля.

о 2. Джерело за п. 1, яке відрізняється тим, що тигель у своїй частині, що охоплює термоемісійну вставку, має - радіальне потовщення стінки назовні.

З. Джерело за п. 1 або п. 2, яке відрізняється тим, що тигель в області термоемісійної вставки містить о внутрішню циліндричну перегородку, що відокремлює термоемісійну вставку від внутрішньої порожнини тигля і ї» виконана як одне ціле з тілом тигля.

4. Джерело за п. 1 або п. 2, або п. 3, яке відрізняється тим, що тигель у верхній частині по зовнішньому краю містить циліндричний виступ вгору уздовж або під кутом до зовнішньої твірної поверхні тигля. с 60 б5