UA46887C2 - Вакуумно-дугове джерело плазми - Google Patents

Abstract

Винахід може бути використаний у машинобудуванні для формування покриттів та плівок різного призначення з металів та їх сполук. Вакуумно-дугове джерело містить циліндричний катод з торцевою робочою поверхнею, коаксіальний з катодом трубчастий анод та соленоїд на зовнішній поверхні анода. Торцева робоча поверхня катода зміщена усередину анода відносно його торцевого отвору на відстань d, що задовольняє умові 0,1D < d < D, в якій D - внутрішній діаметр анода, а зміщення вихідного краю соленоїда відносно торцевої робочої поверхні катода в осьовому напрямі не перевищує 0,1 D. Здійснення винаходу дозволяє знизити втрати плазмоутворюючого матеріалу катода у джерелі при поліпшених умовах ініціювання та стабільності горіння дугового розряду. .

Description

Опис винаходу

Винахід належить до техніки іонно-плазмового осадження покриттів, зокрема - до вакуумно-дугових джерел 2 плазми, і може бути використаний в машинобудуванні для формування покриттів і плівок різного призначення з металів та їх сполук.

Відоме вакуумно-дугове джерело плазми (И.И.Аксенов, В.А.Белоус, "Зажигание вакуумной дуги в стационарньїх источниках металлической плазмь от автономного плазменного инжектора7, ПТЗ, МоЗ, 1979,с.160), що містить циліндричний катод з торцевою робочою поверхнею, трубчастий циліндричний анод, 70 розміщений коаксіальне з катодом, а також соленоїд та запалюючий пристрій, що розміщені збоку неробочого кінця катода. У зв'язку з тим, що плазмовий потік в такій системі має широку діаграму спрямованості, основна його частина осідає на аноді. Лише невелика доля плазмоутворюючого (робочого) матеріалу, що покидає катод у вигляді паро-плазмового потоку, проходить через вихідний отвір анода й відтак може бути використана для формування покриття. Саме ця доля еродуючої маси катоду і характеризує ефективність використання робочого 19 матеріалу, що витрачається під час роботи джерела плазми.

Відоме також вакуумно-дугове джерело плазми (Ш.5.Раїепі Мо4551221, 11/1985, ІпїСІ. Сб23С 13/08), що обране нами як прототип. Джерело містить циліндричний катод з торцевою робочою поверхнею, коаксиальний з катодом трубчастий циліндричний анод, соленоїд на зовнішній поверхні анода, запальний пристрій поряд з боковою поверхнею катода, екрануючий циліндричний електрод між анодом і катодом та вузол стиковки джерела з вакуумною камерою. В цьому джерелі втрати плазми робочого матеріалу внаслідок осадження на стінках анода дещо зменшені завдяки тому, що соленоїд охоплює анод по всій його довжині. При цьому магнітне поле соленоїда перешкоджає руху заряджених компонентів плазми в радіальному напрямку (тобто на анод) і сприяє їх рухові уздовж анода - до його вихідного отвору. Що ж до нейтрального компоненту, то значна його частина і в цьому випадку втрачається на стінках анода, що також дуже обмежує ефективність використання с робочого плазмоутворюючого матеріалу. Крім того, магнітне поле тієї частини соленоїда, що розміщена між (3 робочою торцевою поверхнею катода й вихідним отвором анода, погіршує умови ініціювання й горіння дугового розряду, призводить до частого його погасання. Зазначені негативні явища ще більш посилюються, якщо з метою підвищення ефективності використання робочого матеріалу, наблизити оброблюваний виріб (на який осаджується покриття) упритул до вихідного отвору джерела (анода). У цьому випадку зазначений вище виріб - повністю екранує від катода внутрішню поверхню камери, яка в звичайних умовах приймає на себе частину о розрядного струму, що сприяє стабільному горінню розряду. Отже екранування камери при розміщенні виробу близько до вихідного отвору ще більше посилює нестабільність горіння дуги. со

В основу винаходу поставлена задача: шляхом надання вакуумно-дуговому джерелу плазми певних Ге) геометричних параметрів, підвищити ефективність використання робочого (плазмоутворюючого) матеріалу катодав джерелі. М

Поставлена задача вирішується у вакуумно-дуговому джерелі плазми, що містить циліндричний катод з торцевою робочою поверхнею, коаксиальний з катодом трубчастий анод, соленоїд на зовнішній поверхні анода, підпалюючий пристрій, екрануючий циліндричний електрод між катодом та анодом і вузол стиковки з вакуумною « камерою. Згідно з винаходом торцева робоча поверхня катода зміщена усередину анода відносно до його З вихідного отвору на відстань а, що задовольняє умові 010 «ак, в якій О - внутрішній діаметр анода, а с зміщення вихідного краю соленоїда відносно торцевої робочої поверхні катода в осьовому напрямі не

Із» перевищує «0,10.

Для подальшого підвищення ефективності використання робочого матеріалу шляхом максимального наближення вихідного отвору джерела до оброблюваної поверхні виробів, джерело обладнано кожухом, який коаксиально охоплює анод з соленоїдом і герметично з'єднаний з краями вихідного отвору анода, а зазначений шк вузол стиковки розміщений на зовнішній поверхні кожуха з можливістю переміщення в осьовому напрямі.

Ге») Для підвищення ефективності використання робочого матеріалу шляхом відносного збільшення частини катоду, що випарюється дуговим розрядом, джерело плазми обладнано джерелом електричного струму змінної со величини для живлення соленоїда. о 20 При виконанні наведених вище умов щодо взаємного розміщення катода, анода та соленоїда, що відповідає винаходу, лінії магнітного поля, яке створюється соленоїдом, перетинають бокову поверхню катода під гострим тм кутом, звернутим у бік робочої поверхні катода. Це забезпечує надійний перехід катодної плями дуги на робочій торець катода як при керованому, так і при спонтанному її підпалі на боковій поверхні катода. Поблизу робочої поверхні катода лінії магнітного поля проходять майже паралельно осі пристрою, що забезпечує максимальну 29 фокусуючу дію поля на плазму, яка витікає з катодної плями. Фокусування плазми та коротка відстань між

ГФ) катодною плямою і вихідним отвором (« Ю) зумовлюють значно менші втрати плазми на стінках анода, ніж у випадку джерела - прототипа. В той же час, оскільки в джерелі, що заявляється, лінії магнітного поля при о віддаленні від катода швидко розходяться, значна їх частина перетинає внутрішню поверхню анода, що забезпечує сприятливі умови для горіння дуги навіть у тому випадку, коли оброблювана поверхня виробу з 60 метою максимального використання плазмового потоку розміщена майже упритул до вихідного отвору, що виключає можливість горіння дуги на будь-яку іншу поверхню крім анодної.

Якщо плазмове джерело згідно з винаходом обладнано коаксиальньм циліндричним кожухом, герметично з'єднаним з краями вихідного отвору анода, а вузол стиковки з вакуумною камерою розміщений на зовнішній поверхні кожуха з можливістю регулювання його положення відносно вихідного отвору , це дозволяє без зайвих бо ускладнень встановлювати джерело плазми впритул до оброблюваної поверхні виробів, що мають різні розміри.

Насамперед це стосується до виробів циліндричної форми, які встановлюють на осі камери й обертають довкола неї під час осадження покриття.

У відсутності зовнішнього магнітного поля (живлення соленоїду відключено) зона хаотичного переміщення

Катодної плями обмежується центральною частиною робочої поверхні катода. Отож, еродує також центральна частина цієї поверхні, де поступово утворюється поглиблення, а решта катода залишається невикористаною. З появою зовнішнього поля, лінії якого, перетинаючи робочу поверхню катоду, нахилені назовні, катодна пляма починає обертатися навколо осі катода, віддаляючись від неї тим далі, чим сильніше поле соленоїда. Отже, якщо соленоїд підключити до джерела електричного струму змінної величини, магнітне поле соленоїда також 7/0 буде змінним, а відтак - і катодна пляма буде обертатися навколо осі системи по колу, радіус якого періодично змінюється. Таким чином, зона існування катодної плями поширюється на всю робочу поверхню катода, чим і забезпечується Її рівномірна ерозія, що, у свою Чергу, суттєво збільшує використання матеріалу катода.

Суть винаходу пояснюється схематичними кресленнями.

На фіг.1 зображено вакуумне-дугове джерело плазми, що відповідає основному пункту винаходу.

На фіг.2 показано вакуумно-дугове джерело плазми з кожухом та з рухомим вузлом стиковки.

На фіг.3з зображено перетин робочої поверхні катода, що еродує в умовах відсутності зовнішнього магнітного поля.

На фіг.4 приведено зображення перетину робочої поверхні катода, що еродує в присутності зовнішнього магнітного поля постійної напруженості.

На фіг.5 зображено перетин робочої поверхні катода, що еродує в умовах живлення соленоїда струмом змінної величини.

Зображене на фіг.1 джерело плазми містить циліндричний катод 1 з торцевою робочою поверхнею 2 і коаксиальний з катодом циліндричний анод З з немагнітного матеріал а (наприклад, з нержавіючої сталі). Робоча торцева поверхня 2 катода зміщена усередину анода З відносно його вихідного отвору на відстань меншу за с внутрішній діаметр анода, але більшу, ніж одна десята його частина. Підпалюючий пристрій будь-якого відомого типу розміщений біля бокової поверхні катода 1, й на кресленні його показано схематично стрілкою 4. На і) зовнішній поверхні анода розміщено соленоїд 5, вихідний край якого зміщений відносно робочої поверхні 2 катода 1 на відстань, що не перевищує десяту долю внутрішнього діаметра анода. Бокова поверхня катода 1 заекранована від анода електродом 6. Електричні виводи анода, катода, екрануючого електрода б та М зо підпалюючого пристрою 4 відокремлені один від одного ізоляторами 7.

До вакуумної камери 8 джерело плазми герметично пристиковують за допомогою фланця 9, що виконує со функції вузла стиковки. На невеликій відстані від вихідного отвору анода З (майже впритул до нього) розміщено со оброблюваний виріб 10.

Описане джерело плазми працює таким чином. При заданому вакуумі у камері 8 (в межах 10...1073 Па) та о при увімкнутих джерелах живлення (на кресленні не показано) соленоїда 5 і дугового розряду за допомогою «Її підпалюючого пристрою 4 на боковій поверхні катода 1 підпалюється катодна пляма. Під дією магнітного поля соленоїда 5 катодна пляма з бокової поверхні перемішується на робочий торець 2 катода 1, де вона продовжує рухатись у відповідності з законами взаємодії з власним і зовнішнім магнітними полями. Катодна пляма емітує « плазмовий потік, що поширюється в напівпросторі над робочою поверхнею 2 катода 1 у бік струмоприймальної 70 поверхні анода З та його вихідного отвору. У зв'язку з малою довжиною тієї частини анода З, що між його 8 с вихідним отвором та робочим торцем 2 катода 1, а також завдяки фокусуючої дії соленоїда 5, значна частина ц плазмового потоку направляється саме у вихідний отвір і далі - на поверхню оброблюваного виробу 10. Якщо ж "» робоча поверхня катода зміщена відносно вихідного отвору джерела більше ніж на внутрішній діаметр анода (0), то втрати робочого матеріалу підвищуються внаслідок конденсації його на збільшеній площі аноду. Отже ефективність використання робочого матеріалу в цих умовах падає. При зменшенні зазначеного зміщення до «г» величини нижче за 0,1 ОЮО порушуються умови стабільного горіння дуги. Щодо зміщення вихідного краю соленоїда 5 відносно робочої поверхні 2 катода 1 не більше ніж на 0,1 0, то лише при такій умові здійснюється надійний

Фо підпал дуги: катодна пляма після ініціювання її на боковій поверхні катода виштовхується магнітним полем на о робочу поверхню катода.

Конструкція джерела плазми, показаного на фіг, відрізняється від попереднього варіанту тим, що джерело бо обладнано кожухом 11, який коаксиально охоплює анод 5 і герметично з'єднаний з вихідним торцем анода 3. На "І зовнішній поверхні кожуха 11 міститься вузол стикування, що складається з фланців 9 та 12 і гумового кільця 13. Ці елементи мають змогу вільно переміщатися уздовж кожуха 11 і можуть бути зафіксовані на будь якій відстані від вихідного отвору. Фіксація вузла в обраному положенні здійснюється шляхом притискання фланців 9 5 та 12 один до одного за допомогою гвинтів (не показані). При цьому розміщене між фланцями гумове кільце 13 деформується й забезпечує герметичне з'єднання фланців 9 та 12 з кожухом 11. Зафіксований таким чином о вузол стиковки використовується для з'єднання джерела плазми з камерою 8 через гумову ущільнюючу ко прокладку (на кресленні не показана).

Під діянням радіальної складової магнітного поля соленоїда 5 катодна пляма рухається по колу, бо обертаючись довкола осі катода. В той же час катодна пляма дрейфує в бік гострого кута між поверхнею катода й лінією магнітного поля, що перетинає поверхню в місці знаходження плями. Таким чином, катодна пляма, котра з будь якої причини опинилась на боковій поверхні катода, внаслідок взаємодії з магнітним полем соленоїда переміщується до робочої поверхні катода. Тут дрейф плями у полі соленоїда 5, що обумовлений тим же "правилом гострого кута", направлений вздовж радіуса від центра робочої поверхні до її периферії. Дрейф 65 припиняється на деякій відстані від центру, коли вплив поля соленоїда на пляму компенсується дією власного магнітного поля, що вимушує пляму рухатися в протилежному напрямі (до центру катода). В умовах такої рівноваги між зазначеними факторами, що діють у протилежних напрямках, катодна пляма рухається по колу з радіусом, що визначається індукцією зовнішнього магнітного поля, яке в свою чергу залежить від струму живлення соленоїда. На фіг.З3 показано характер ерозії катода у випадку, коли зовнішнє поле відсутнє і катодна пляма утримується власним полем у центральній зоні робочої поверхні катоду. На фіг.4 показано характер ерозії катода, коли магнітним полем соленоїда пляму виведено на периферійну область катодної поверхні. При зміннім струмі живлення соленоїда змінним також стає і радіус траєкторії обертання плями навколо центра робочої поверхні катода, що призводить до рівномірної ерозії його робочої поверхні, як показано на фіг.5.

Запропоноване технічне рішення використано в установці для вакуумно-дугового осадження товстих (до 7/0 2Ммм) покриттів та поверхневих шарів з тугоплавких металів і сплавів. Розроблене й виготовлене для цього вакуумно-дугове джерело мало такі параметри. Анод З мав форму труби з подвійними стінками, між якими пропускалась охолоджуюча вода. Внутрішній діаметр анода 120мм, зовнішній - 140мм, довжина - Зб0Омм.

Матеріал анода - немагнітна нержавіюча сталь Х18НОТ. Діаметр стального кожуха 11 дорівнював 240Омм.

Зовнішній діаметр соленоїда 5, намотаного на анод, становив 220мм, довжина - 120мм. Вихідний кінець соленоїда був зміщений відносно робочої поверхні катода на 1Омм. Відстань між торцем катода й вихідним отвором становила 9Омм. Щільність намотки соленоїда - 400 витків на 1 погонний см.

За допомогою такого джерела плазми осаджували плівку молібдену товщиною 0,2мм на поверхню циліндра діаметром 100мм і довжиною 14О0мм, що під час формування плівки обертався навколо своєї осі, розміщеної на відстані 9Омм від вихідного отвору джерела перпендикулярно його осі. При струмі дугового розряду 180А, струмі 2о живлення соленоїда 0,5А на формування плівки використовувалось 2890 молібдену, що випарювався з катода.

Для джерела - прототипу цей показник не перевищує 795. Запропоноване джерело характеризується також високою стабільністю горіння дуги: в описаному вище режимі на протязі 4 годин безперервної роботи не було зареєстровано жодного спонтанного погасання розряду. Для прототипу в подібних умовах характерним є спонтанне погасання дуги з частотою понад 10 погасань за хвилину. Це в свою чергу обумовлює підвищене с 2г5 навантаження на підпалюючий пристрій й підвищення імовірності виходу його з ладу.

Отже запропоноване технічне рішення дає можливість збільшити ефективність використання і) плазмоутворюючого матеріалу катода вакуумно-дугового джерела, а також підвищити стабільність і надійність роботи цього джерела. Зазначені переваги набувають особливого значення в технології осадження товстих плівок й покриттів, коли технологічний процес триває довгий час. ї- со

Claims (3)

Формула винаходу с

1. Вакуумно-дугове джерело плазми, що містить циліндричний катод з торцевою робочою поверхнею, «О 35 коаксіальний з катодом трубчастий анод, соленоїд на зовнішній поверхні анода, підпалюючий пристрій поблизу « бокової поверхні катода, екрануючий циліндричний електрод між катодом та анодом і вузол стикування з вакуумною камерою, яке відрізняється тим, що торцева робоча поверхня катода зміщена усередину анода відносно до його вихідного отвору на відстань 4, що задовольняє умові оскар, « в якій Ю - внутрішній діаметр анода, а зміщення вихідного краю соленоїда відносно торцевої робочої з с поверхні катода в осьовому напрямі не перевищує 0,10.

2. Вакуумно-дугове джерело плазми за п. 1, яке відрізняється тим, що воно обладнано кожухом, який :з» коаксіально охоплює анод з соленоїдом і герметично з'єднаний з краями вихідного отвору анода, а зазначений вузол стикування розміщений на зовнішній поверхні кожуха з можливістю переміщення в осьовому напрямі.

3. Вакуумно-дугове джерело плазми за пп. 1, 2, яке відрізняється тим, що соленоїд підключений до джерела їз змінного струму. (22) (ее) о 50 що Ф) іме) 60 б5