Пристрій для транспортування потоків вакуумно-дугової плазми

Реферат: Запропоновано пристрій для транспортування потоків вакуумно-дугової плазми. Пристрій включає плазмовід з вхідною і вихідною секціями у вигляді відрізків труб, охоплених основними електромагнітними котушками для створення транспортуючого магнітного поля, при цьому вхідна секція плазмоводу має кришку і дно, вихідна секція плазмоводу з'єднана з вхідною секцією через вихідний осьовий отвір у її дні, кришка вхідної секції має принаймні два вхідних отвори, зміщені відносно осі плазмоводу, які призначені для приєднання вакуумно-дугових джерел плазми, і осьовий отвір, через який всередину вхідної секції введено охоплену кожухом відхиляючу електромагнітну котушку для утворення додаткового магнітного поля на її осі з UA 103692 C2 (12) UA 103692 C2 напрямком, протилежним напрямку транспортуючого магнітного поля, причому згаданий кожух має форму стакана, дно якого обернене у бік дна вхідної секції плазмоводу. Пристрій забезпечує можливість транспортування більше ніж двох потоків плазми без ускладнення конструкції при високій ефективності очищення плазмових потоків від макрочастинок і забезпечення рівномірного розподілу концентрації компонентів осаджуваних покриттів. UA 103692 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до техніки формування потоків ерозійної вакуумно-дугової плазми для осадження високоякісних композитних, у тому числі - наноструктурованих покриттів різного призначення - зносостійких, антифрикційних, декоративних, електро- й теплопровідних, електро- й теплоізолюючих та інших, а також для поверхневого модифікування матеріалів шляхом опромінення потоками іонів та/або електронів. У порівнянні з однокомпонентними покриттями композитні покриття на основі нітридів та/або карбідів двох і більше металів відзначаються більш високими механічними характеристиками. Ці покриття знаходять все більш широке використання як зносостійкі і антифрикційні поверхневі шари в інструментальному виробництві та в машинобудуванні. Такі покриття можуть бути одержані вакуумно-дуговим методом при розпиленні катода, виготовленого з композиційного матеріалу відповідного складу. Недолік такого методу полягає в складності й високій вартості виготовлення катодів потрібного складу. Композитні покриття можна отримувати шляхом розпилювання двох або більшої кількості катодів, кожен з яких виготовлений з одного матеріалу, який повинен бути присутній в композитному покритті. Такі катоди простіше виготовляти. Вони мають значно нижчу вартість у порівнянні з композиційними катодами. Але в цьому випадку при транспортуванні потоків плазми від різних катодів ці потоки треба ретельно перемішувати. Відомо про пристрій для транспортування потоків вакуумно-дугової плазми [1] який входить до складу джерела з двома катодами, виготовленими з різних металів. Катоди знаходяться всередині охопленої електромагнітними котушками циліндричної камери, частина якої виконує роль плазмоводу. Плазма, що генерується катодними плямами на робочій поверхні кожного з катодів, транспортується "власним" пучком ліній індукції магнітного поля, що перетинають цю поверхню. Тому потоки плазми, які генеруються різними катодами, на шляху до підкладки, практично, не змішуються один з одним. В результаті, конденсат, який формується осадженням зазначених потоків плазми, характеризуються дуже неоднорідним розподілом компонентів по його поверхні. Окрім того, в системі не передбачені заходи щодо видалення з плазми макрочастинок катодних матеріалів, що призводить до зниження якості покриттів. Інший відомий пристрій для транспортування потоків вакуумно-дугової плазми [2] містить у собі Т-подібний плазмовід, що складається з двох L-подібних каналів із спільною системою магнітних котушок. Плазмові потоки з двох катодів після повороту на 90° рухаються двома каналами, розділеними між собою подовжньою перегородкою, уздовж магнітного поля цієї спільної для обох каналів вихідної секції і надходять на підкладку. L-подібні канали виконують роль фільтрів і сприяють видаленню макрочастинок плазми композиційного складу. Але плазмові потоки, проходячи двома каналами уздовж магнітного поля, надходять на підкладку не змішуючись. У зв'язку з цим одержати композитне покриття з рівномірним розподілом компонентів по поверхні нерухомої підкладки за допомогою даного пристрою також неможливо. В пристрої, який описаний в міжнародній заявці [3] запропоновано транспортувати плазмові потоки від двох вакуумно-дугових випарників з використанням двоканального Y-подібного магнітного плазмоводу, охопленого системою електромагнітних котушок. Два плазмові потоки різного складу направляються до одноканальної вихідної секції плазмоводу і транспортуються уздовж неї до підкладки сумісним магнітним полем. Y-подібний плазмовід виконує роль фільтра і забезпечує зниження кількості макрочастинок у плазмі на виході пристрою. Проте, як показали подальші дослідження [4, 5], повного змішування плазмових потоків плазми від двох генераторів при використанні цього пристрою також не відбувається. Внаслідок цього покриття, що осаджується, має неоднорідний розподіл концентрації компонентів. Крім того, цей пристрій не дозволяє використовувати більш, ніж два джерела плазми, а отже й змішувати більше двох плазмових потоків. За найближчий аналог приймається пристрій [6] для транспортування потоків вакуумнодугової плазми, який включає плазмовід з вхідною і вихідною секціями у вигляді відрізків труб, охоплених основними електромагнітними котушками для утворення транспортуючого магнітного поля. Електромагнітні котушки з'єднані з джерелом електроживлення так, що магнітні поля, утворювані цими котушками, мають однакові напрямки. При використанні цього пристрою плазмові потоки, які надходять до вхідної секції плазмоводу і транспортуються до входу вихідної секції плазмоводу, потерпають поворот на 90°. У вихідній секції вони транспортуються до виходу магнітним полем, що створюється котушкою, яка охоплює цю секцію. Слід зазначити, що геометрія плазмоведучих каналів, що є характерною для цього пристрою, внаслідок рикошетування макрочастинок від стінок плазмоводів в багатьох випадках не забезпечує достатнього очищення плазми від макрочастинок без додаткових заходів щодо послаблення процесів рикошетування. Крім того, цей пристрій придатний для транспортування 1 UA 103692 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 тільки двох плазмових потоків. Для забезпечення транспортування більшої кількості потоків плазми пристрій буде надто ускладненим, що у свою чергу призведе до різкого зменшення (як мінімум, понад один порядок величини) коефіцієнта пропускання плазми. Задачею, на вирішення якої направлений винахід, є удосконалення плазмоводу пристрою для транспортування потоків вакуумно-дугової плазми в системах осадження композитних покриттів. Удосконалення повинно забезпечити можливість транспортування пристроєм більше, ніж двох потоків плазми без ускладнення конструкції. При цьому повинна досягатися висока ефективність очищення плазмових потоків від макрочастинок і рівномірність розподілу концентрації компонентів осаджуваних покриттів. Задача має бути вирішена шляхом конструктивних змін плазмоводу і створенням особливої конфігурації магнітного поля системою електромагнітних котушок. Поставлена задача вирішується в пристрої для транспортування потоків вакуумно-дугової плазми, що патентується, який, як і найближчий аналог, включає плазмовід з вхідною і вихідною секціями у вигляді відрізків труб, охоплених основними електромагнітними котушками для утворення транспортуючого магнітного поля. Електромагнітні котушки з'єднані з джерелом електроживлення так, що магнітні поля, утворювані цими котушками, мають однакові напрямки. Відповідно до винаходу, вхідна секція плазмоводу має кришку і дно. Вихідна секція плазмоводу з'єднана з вхідною секцією через вихідний осьовий отвір у її дні. Кришка вхідної секції має принаймні два вхідних отвори, зміщені відносно осі плазмоводу, які призначені для приєднання вакуумно-дугових джерел плазми, і осьовий отвір, через який всередину вхідної секції введено охоплену кожухом відхиляючу електромагнітну котушку для утворення додаткового магнітного поля на її осі з напрямком протилежним напрямку транспортуючого магнітного поля, причому згаданий кожух має форму стакана, дно якого обернене у бік дна вхідної секції плазмоводу. Вхідні отвори в кришці вхідної секції плазмоводу, розташовані симетрично відносно осі плазмоводу. Внутрішній діаметр і довжина вхідної секції плазмоводу та осьовий отвір у її дні мають такі розміри, що цей осьовий отвір міститься поза зоною прямої видимості з боку вхідних отворів у кришці. Всередині вищезгаданого кожуха на його дні розташована додаткова регулююча електромагнітна котушка. Вихідна секція плазмоводу біля дна вхідної секції охоплена додатковою корегуючою електромагнітною котушкою. У пристрої за винаходом можливість транспортувати два і більше потоків забезпечується тим, що плазмоведучий канал, утворюваний між внутрішньою боковою поверхнею вхідної секції і зовнішньою боковою поверхнею кожуха відхиляючої електромагнітної котушки, має кільцевий поперечний переріз, що з боку вхідного торцю перекривається кришкою з отворами для приєднання плазмових джерел. Тому кількість плазмових потоків, що інжектуються в плазмоведучий канал визначається виключно шириною цієї кришки і її середнім діаметром, так що при певних значеннях цих геометричних параметрів кількість вхідних отворів в зазначеній кришці (а відтак - і кількість плазмових потоків, що інжектуються) може бути суттєво більшою за два. При цьому складність конструкції пристрою із збільшенням кількості плазмових потоків, що інжектуються у пристрій і транспортуються уздовж нього, практично, не змінюється. Завдяки зазначеним особливостям конструкції і відповідному розміщенню секцій плазмоводу, плазмові потоки при транспортуванні потерпають два послідовних повороти, кожний на 90°, так що сумарний поворот становить 180°. Внаслідок цього імовірність проходження макрочастинок через пристрій суттєво знижується, а відтак ефективність очищення плазми від макрочастинок підвищується. Електромагнітні котушки пристрою, згідно з винаходом, забезпечують формування в проміжку між вхідною і вихідною секціями плазмоводу транспортуюче магнітне поле гострокутової конфігурації. Для такого поля характерна наявність зони з мінімумом індукції (всередині зони індукція поля знижується аж до нуля). В цій зоні магнітне поле втрачає свої транспортуючі якості, і заряджені частинки плазмових потоків, що надходять сюди, вільно дифундують, перемішуючись між собою. Перемішана плазма витікає із зони гострокутового магнітного поля у вихідну секцію плазмоводу і транспортується далі до виходу з пристрою у вигляді єдиного перемішаного потоку. Конденсуючись на підкладці, такий потік утворює покриття з рівномірним розподілом компонентів. Діаметри і довжини конструктивних елементів плазмоводу вибрані так, що вихідний отвір у дні вхідної секції міститься поза зоною прямої видимості з боку отворів у кришці. При цьому доцільно, щоб ширина проміжку між дном згаданого кожуха і дном вхідної секції була не 2 UA 103692 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 меншою за величину проміжку між внутрішньою бічною стінкою вхідної секції й зовнішньою бічною стінкою кожуха. Для зручності регулювання магнітного поля доцільно усередині вищезгаданого кожуха розмістити регулюючу електромагнітну котушку так, щоб вона прилягала до дна цього кожуха. З тією ж метою доцільно також поряд з електромагнітною котушкою, яка охоплює вихідну секцію, біля дна вхідної секції розмістити додаткову коректуючу електромагнітну котушкою. Для забезпечення більш тонкого регулювання геометрії магнітних полів в області між вхідною і вихідною секціями плазмоводу відхиляюча і коректуюча котушки можуть бути виготовлені секціонованими з можливістю автономного живлення кожної секції. Суть винаходу пояснюється графічним матеріалом. На кресленні схематично зображено осьовий переріз пристрою за винаходом. Розглянемо варіанти виконання пристрою за винаходом. До складу пристрою (див. схему) входять плазмовід, що містить вхідну 1 і вихідну 2 секції, виготовлені з відрізків труб, які охоплені основними електромагнітними котушками, відповідно 3 і 4. Ці електромагнітні котушки з'єднані з джерелом електроживлення (на схемі не показано) так, що магнітні поля, утворювані цими котушками, мають однакові напрямки. Відповідно до винаходу, вхідна секція 1 плазмоводу має кришку 5 і дно 6. Вихідна секція 2 плазмоводу з'єднана з вхідною секцією 1 через вихідний осьовий отвір у її дні 6. Кришка 5 вхідної секції 1 має чотири попарно симетричні вхідні отвори 7, зміщені відносно осі плазмоводу. Вони призначені для приєднання вакуумно-дугових джерел плазми. Кришка 5 має також осьовий отвір, через який всередину вхідної секції введено охоплену кожухом 8 відхиляючу електромагнітну котушку 9 для утворення додаткового магнітного поля на її осі з напрямком, протилежним напрямку транспортуючого магнітного поля. Кожух 8 має форму стакана, дно якого обернене у бік дна 6 вхідної секції плазмоводу. Внутрішній діаметр і довжина вхідної секції 1 плазмоводу та осьовий отвір у її дні 6 мають такі розміри, що цей осьовий отвір міститься поза зоною прямої видимості з боку вхідних отворів 7 у кришці. При цьому ширина проміжку між дном кожуха 8 і дном 6 вхідної секції 1 є не меншою за ширину проміжку між бічною стінкою секції 1 і бічною стінкою кожуха 8. Для зручності регулювання магнітного поля усередині кожуха 3 співвісно з котушкою 9 розміщено відхиляючу електромагнітну котушку 10 так, що вона прилягає до дна кожуха 8. З тією ж метою поряд з електромагнітною котушкою 4 розміщена коректуюча котушка 11, яка прилягає зовні до дна 6 секції 1. Розглянемо як використовується патентований пристрій при роботі з декількома джерелами вакуумно-дугової плазми. Перед початком роботи від джерел електроживлення (на схемі не показані) подається струм на електромагнітні котушки 3, 4, 9, 10, 11. Плазмові потоки від джерел вакуумно-дугової плазми (на схемі не показані), приєднаних до отворів 7 у кришці 5 патентованого пристрою, направляється у плазмоведучий канал, який створюється в плазмоводі у просторі між зовнішньою поверхнею кожуха 8 і внутрішньою поверхнею вхідної секції 1 і далі - внутрішнім об'ємом вихідної секції 2. З плазмоведучого каналу потоки через вихідний отвір вихідної секції 2 направляється на оброблюваний виріб-підкладку (на схемі не показано). Потік заряджених компонентів (іонів та електронів) плазми без перешкод дрейфує уздовж магнітного поля, утвореного відхиляючою котушкою 9 і регулюючою котушкою 10, увімкнутими зустрічно до котушок 3 і 4, та коректуючоі котушки 11. Зазначене магнітне поле унеможливлює рух заряджених частинок плазми до стінок плазмоведучого каналу. На відміну від іонно-електронної складової плазми, що транспортується по криволінійних траєкторіях магнітним полем, прямуючи уздовж усіх його вигинів та поворотів, макрочастинки катодного матеріалу внаслідок їхньої великої маси (найменші з них на кілька порядків масивніші за іони металів) ні на магнітні, ні на електричні поля майже не реагують, рухаються прямолінійно і тому на виріб-підкладку не потрапляють, оскільки вона знаходиться в зоні відсутності прямої видимості з отворів 7. На шляху до виходу з плазмоводу макрочастинки наштовхуються на стінки плазмоведучого каналу в місті його першого повороту. Подальший рух до виходу здатні продовжувати тільки ті частинки, що рикошетували в напрямку до виходу. Але на їхньому шляху є ще другий поворот в просторі між дном кожуха 8 і дном 6 вхідної секції 1 (див. схему), який ще більше знижує кількість макрочастинок, які продовжують рух до виходу. Механізм транспортування плазми від джерела плазми через плазмоведучий канал до вихідного отвору вихідної секції 2 може бути описаний наступним чином. Інтенсивність магнітних полів, що утворюються котушками 3, 4, 9, 10, 11 вибирають такою, щоб виконувалась умова: e d (2) де e і i - ларморівські радіуси електронів та іонів, відповідно, d - ширина зазначеного вище плазмоведучого каналу у найвужчому місці. В магнітному полі з індукцією В заряджені частинки плазми рухаються уздовж магнітних силових ліній по ларморівських спіралях, обертаючись навколо цих ліній з циклотронною частотою  = qB/mc (q - заряд частинки, m - її маса, с - швидкість світла). Радіус спіралі (ларморівський радіус) становить =V/=V±mc/qB. Тут V - складова швидкості частинки, перпендикулярна полю В. Якщо магнітне поле вибране таким, що виконується нерівність (1), то електрони, вільно рухаючись уздовж ліній магнітного поля із подовжньою швидкістю V//, на стінки плазмоведучого каналу потрапити не можуть, бо їх поперечний направлений рух у магнітному полі перетворився в круговий з ларморівським радіусом e значно меншим за відстань до зазначених стінок. У таких випадках говорять, що електрони плазми замагнічені. Що ж стосується позитивно заряджених іонів металу, з яких складається іонна складова плазми, то в умовах, коли виконується нерівність (2), ці важкі частинки (маса іона титану, наприклад, вища за масу електрона у 88 000 разів) на магнітне поле в плазмоведучому каналі майже не реагують: їхній ларморівський радіус i є більшим за ширину d цього каналу, і тому іони з швидкістю Vi мали б рухатись поперек магнітного поля до стінок зазначеного каналу. Але цього не трапляється, бо вони утримуються електростатичним полем негативного просторового заряду замагнічених електронів і разом з ними рухаються вздовж магнітного поля до виходу із секції 2 і далі - до підкладки. При цьому виконується принципова умова квазінейтральності плазми. Слід зазначити, що найбільш високоенергетичні іони все ж переборюють силу притягання замагнічених електронів і потрапляють на стінки плазмоведучого каналу, заряджаючі їх позитивно. Цей позитивний заряд стінок утворює в плазмоведучому каналі електростатичне поле, що перешкоджає рухові подальших порцій іонів до стінок цього каналу і таким чином сприяє зменшенню втрат іонів при проходженні плазми через пристрій. Для пристроїв за даним винаходом, що мають ширину d плазмоведучого каналу від кількох до десяти сантиметрів, співвідношення (1) і (2), які забезпечують оптимальні умови транспортування плазми через пристрій, виконуються при магнітних полях приблизно від 5 до 50 мТл, що цілком прийнятне у практичному сенсі. Як зазначено вище, котушки 3, 4 і 11 генерують магнітні поля одного напрямку, а котушки 9 і 10 генерують магнітне поле, спрямоване у зустрічному напрямку. Внаслідок цього в приосьовій зоні між дном кожуха 8 і дном 6 секції 1 утворюється область, в якій ці поля взаємно компенсують одне одного. Це так звана область мінімуму магнітного поля. В середині цієї області магнітне поле майже відсутнє й зростає у периферійному напрямку, являючи собою магнітну пастку для електронів, які покидають цю пастку, головним чином, через порожнину вихідної секції 2 плазмоводу. Негативний просторовий заряд електронів, що деякий час утримується зазначеною пасткою, являє собою "потенціальну яму" для позитивно заряджених іонів. Отже іонна складова плазмового потоку, що має на своєму шляху таку потенціальну яму, дещо уповільнюється, енергія напрямного руху іонів помітно знижується. Наприклад, енергія іонів титану при проходженні плазми через канал з зазначеною геометрією магнітного поля знижується майже вдвічі. Ефект зниження енергоємності плазмового потоку, що конденсується, вкрай важливий при осадженні покриттів на вироби з матеріалів, які мають низьку границю допустимого теплового навантаження (наприклад, у випадку нанесення захисного покриття на активний шар магнітних носіїв інформації - жорстких дисків пам'яті, або на підкладки (вироби) з полімерних матеріалів). В області свого мінімуму магнітне поле, ослаблюючись, втрачає свої транспортуючі якості, і плазмові потоки, які надходять сюди від різних джерел плазми з катодами з різних плазмоутворюючих матеріалів (металів, сплавів, графітів), розсіюються, дифундують одне в одне, перемішуються. В такому, перемішаному, стані, пройшовши через вихідну секцію плазмоводу до підкладки, потоки конденсуються на ній, утворюючи композитне покриття з однорідним розподілом компонентів. Таким чином, внаслідок того, що плазмові потоки під час їхнього транспортування потерпають два послідовних повороти кожний на 90°, імовірність проходження макрочастинок через пристрій за винаходом суттєво знижується, а відтак ефективність очищення плазми від макрочастинок підвищується. З наведених даних виходить, що запропонований винахід забезпечує формування багатокомпонентних потоків плазми шляхом змішування кількох потоків плазми різного складу від кількох джерел плазми, При цьому збільшення кількості цих джерел майже не ускладнює конструкцію пристрою в цілому. Пристрій за винаходом забезпечує високу якість очищення 4 UA 103692 C2 5 10 плазми від макрочаодна від одної. В різних варіантах котушки вхідної і вихідної секцій плазмоводу можуть бути секціонованими. Джерела інформації: 1.V. N. Zhitomirsky, R. L. Boxman, S. Goldsmith, I. Grimberg and B. Z. Weiss. Superposition of two plasma beams produced in a vacuum arc deposition apparatus // Proc. of XVIIIth ISDEJV. 1998, Eindhoven, p. 609-612). 2. Патент США US Patent No.: 6,663,755 B2, Dec. 16, 2003. 3. Заявка PCT No.: WO 99/223396. Priority: 24.10.97. 4. H. Takikawa and H. Tanoue. Review of Cathodic Arc Deposition for Preparing Droplet-Free thin Films. // IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 35, No.4, 2007, pp. 992-999. 5. T. Mashiki, FI. Hikosaka, H. Tanoue, H. Takikawa, Yu. Hasegawa, M. Такі, M. Kumagai, M. Kamiya. TiAIN film preparation by Y-shape filtered-arc-deposition system // Thin Solid Films, vol.516, 2008, pp. 6650-6654. 6. Патент США US Patent No.: US 7,381,311 B2, Jun. 3, 2008 (найближчий аналог). 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 1. Пристрій для транспортування потоків вакуумно-дугової плазми, який включає плазмовід з вхідною і вихідною секціями у вигляді відрізків труб, охоплених основними електромагнітними котушками для створення транспортуючого магнітного поля, який відрізняється тим, що вхідна секція плазмоводу має кришку і дно, вихідна секція плазмоводу з'єднана з вхідною секцією через вихідний осьовий отвір у її дні, кришка вхідної секції має принаймні два вхідних отвори, зміщені відносно осі плазмоводу, які призначені для приєднання вакуумно-дугових джерел плазми, і осьовий отвір, через який всередину вхідної секції введено охоплену кожухом відхиляючу електромагнітну котушку для утворення додаткового магнітного поля на її осі з напрямком, протилежним напрямку транспортуючого магнітного поля, причому згаданий кожух має форму стакана, дно якого обернене у бік дна вхідної секції плазмоводу. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що вхідні отвори в кришці вхідної секції плазмоводу розташовані симетрично відносно осі плазмоводу. 3. Пристрій за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що внутрішній діаметр і довжина вхідної секції плазмоводу та осьовий отвір у її дні мають такі розміри, що цей осьовий отвір розташований поза зоною прямої видимості з боку вхідних отворів у кришці. 4. Пристрій за п. 3, який відрізняється тим, що всередині вищезгаданого кожуха на його дні розташована додаткова регулююча електромагнітна котушка. 5. Пристрій за п. 4, який відрізняється тим, що вихідна секція плазмоводу біля дна вхідної секції охоплена додатковою корегуючою електромагнітною котушкою. 5 UA 103692 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6