Изобретение относится к области техники вакуумных электродуговых испарителей и может быть использовано для напыления покрытий и получения тонких пленок. The invention relates to the field of technology of vacuum electric arc evaporators and can be used to spray coatings and obtain thin films.
Известен электродуговой испаритель металлов, содержащий катод, анод, поджигающий электрод и экран, в котором на напыляемую поверхность осаждаются ионы и нейтральные атомы, образующиеся при испарении расходуемого катода [1] Недостатком известного устройства является большое количество макрочастиц - капель, осколков материала, образующихся при работе электродугового испарителя и снижающих качество получаемых покрытий и тонких пленок. A known electric arc evaporator of metals containing a cathode, anode, an ignition electrode and a screen in which ions and neutral atoms are formed on the surface to be deposited during the evaporation of the consumable cathode [1] A disadvantage of the known device is a large number of particulate matter - droplets, fragments of material generated during operation arc evaporator and reducing the quality of the resulting coatings and thin films.
Известно также вакуумно-дуговое плазменное устройство [2] состоящее из расходуемого катода, имеющего рабочую поверхность, соленоида, расположенного соосно с расходуемым катодом и цилиндрического анода. При горении дугового разряда на рабочей поверхности катода поток образующийся плазмы распространяется вдоль силовых линий магнитного поля к напыляемой поверхности образцов. Недостатком такого устройства является наличие большого числа макрочастиц, вместе с потоком плазмы попадающих на обрабатываемое изделие и снижающих качество покрытия. Кроме того, поток нейтральных атомов, имеющих нерегулируемую энергию, также в ряде применений снижает качество покрытия. Установление дополнительных экранов может снижать поток макрочастиц и нейтральных атомов на обрабатываемую поверхность, однако одновременно снижается и поток ионов, напыляемых на поверхность, в результате чего снижается эффективность процесса напыления. Also known is a vacuum arc plasma device [2] consisting of a sacrificial cathode having a working surface, a solenoid located coaxially with the sacrificial cathode, and a cylindrical anode. When burning an arc discharge on the working surface of the cathode, the flow of the generated plasma propagates along the magnetic field lines to the sprayed surface of the samples. The disadvantage of this device is the presence of a large number of particulates, together with the plasma flow falling on the workpiece and reducing the quality of the coating. In addition, the flow of neutral atoms having unregulated energy also reduces the quality of the coating in a number of applications. The installation of additional screens can reduce the flow of particulates and neutral atoms to the surface to be treated, however, the flow of ions sprayed onto the surface is also reduced, resulting in a decrease in the efficiency of the deposition process.
Целью изобретения является снижение потока макрочастиц и нейтральных атомов вещества расходуемого катода, содержащихся в плазме, генерируемой электродуговым испарителем и попадающих на обрабатываемые поверхности. The aim of the invention is to reduce the flow of particulates and neutral atoms of a sacrificial cathode material contained in the plasma generated by the electric arc evaporator and falling on the treated surface.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, состоящем из вакуумной камеры, расходуемого катода, анода, набора промежуточных электродов, магнитной системы, магнитной системой создается неоднородное осесимметричное магнитное поле между катодом и анодом, имеющее по крайней мере два максимума, один из которых находится на рабочей поверхности катода, другой находится в плоскости выходного отверстия анода, а в области по крайней мере одного минимума поля между анодом и катодом расположены промежуточные электроды, перекрывающие все линии прямого луча от рабочей поверхности катода к выходному отверстию анода, но не пересекающие силовые линии магнитного поля, проходящие через рабочую поверхность катода и выходное отверстие анода. This goal is achieved by the fact that in a device consisting of a vacuum chamber, consumable cathode, anode, a set of intermediate electrodes, a magnetic system, a magnetic system creates an inhomogeneous axisymmetric magnetic field between the cathode and the anode, which has at least two maxima, one of which is located on the working surface of the cathode, the other is in the plane of the outlet of the anode, and in the region of at least one field minimum between the anode and the cathode are intermediate electrodes that overlap all inii direct ray from the working surface of the cathode to the anode outlet, but does not intersect the magnetic field lines passing through the working surface of the cathode and the anode outlet.
На чертеже изображен общий вид устройства для случая, когда магнитное поле имеет три максимума, а число промежуточных электродов, расположенных в минимумах магнитного поля равно двум. Устройство включает вакуумную камеру 1, расположенный в ней расходуемый катод 2, имеющий рабочую поверхность 3, анод 4, промежуточные электроды 5, магнитную систему 6. Устройство включает также источник энергии 7, подключенный к катоду 2 и аноду 4, изолятор 8, экраны 9, изоляторы 10 и 11 и держатель образцов 12. Источник питания катушек магнитной системы и система вакуумной откачки на чертеже не показаны. The drawing shows a General view of the device for the case when the magnetic field has three maxima, and the number of intermediate electrodes located at the minima of the magnetic field is equal to two. The device includes a vacuum chamber 1, a sacrificial cathode 2 located therein, having a working surface 3, an anode 4, intermediate electrodes 5, a magnetic system 6. The device also includes an energy source 7 connected to the cathode 2 and anode 4, insulator 8, screens 9, insulators 10 and 11 and the sample holder 12. The power source of the coils of the magnetic system and the vacuum pumping system are not shown in the drawing.
Устройство работает следующим образом. После достижения в вакуумной камере 1 рабочего вакуума, возбуждением катушек магнитной системы 6 создается магнитное поле, топология которого такова, что силовые линии, пересекающие рабочую поверхность 3 катода 2, достигают выходного отверстия в аноде 4, нигде не пересекая поверхности промежуточных электродов 5 и экранов 9. Включением источника энергии 7 подается отрицательный потенциал на катод 2. С помощью электрода поджига (на чертеже не показан) поджигается другой разряд, горящий в парах материала расходуемого катода 2. Катодные пятна дугового разряда перемещаются по рабочей поверхности 3 катода 2, ограниченной изолятором 8. Поток плазмы испаряемого материала катода 2 распространяется вдоль силовых линий магнитного поля, огибающих промежуточные электроды 5 и экраны 9, которые находятся под плавающим потенциалом. Макрочастицы материала катода и нейтральные атомы, двигаясь по прямолинейным траекториям, осаждаются на поверхностях вакуумной камеры 1, промежуточных электродов 5 и экранов 9. Расположение экранов 9 выбирается таким образом, чтобы они пересекали ломаные линии траектории макрочастиц, отраженных от стенок вакуумной камеры в направлении выходного отверстия в аноде 4. Оптимальная величина магнитного поля в максимуме его значений равна 0,02 Тл. Поток плазмы, очищенный от макрочастиц, проходя через отверстие в аноде 4, направляется на держатель образцов 12. Степень очистки плазмы от макрочастиц и нейтральных атомов определяется числом магнитного поля и установленных в них промежуточных электродов. Для большинства применений достаточна степень очистки, достигаемая при количестве промежуточных электродов, равном двум. The device operates as follows. After reaching the working vacuum in the vacuum chamber 1, by exciting the coils of the magnetic system 6, a magnetic field is created whose topology is such that the lines of force intersecting the working surface 3 of the cathode 2 reach the outlet in the anode 4 without intersecting the surfaces of the intermediate electrodes 5 and the shields 9 . By turning on the energy source 7, a negative potential is supplied to the cathode 2. Using the ignition electrode (not shown in the drawing), another discharge is ignited, burning in the vapor of the material of the consumed cathode 2. Cathode spots of arcs A new discharge is moved along the working surface 3 of the cathode 2, limited by the insulator 8. The plasma flow of the evaporated material of the cathode 2 propagates along the magnetic field lines enveloping the intermediate electrodes 5 and the screens 9, which are at a floating potential. Particles of the cathode material and neutral atoms, moving along straight paths, are deposited on the surfaces of the vacuum chamber 1, intermediate electrodes 5 and screens 9. The arrangement of screens 9 is chosen so that they intersect the broken lines of the path of the macroparticles reflected from the walls of the vacuum chamber in the direction of the outlet in the anode 4. The optimal magnitude of the magnetic field at the maximum of its values is 0.02 T. The plasma stream, cleaned of the particles, passing through the hole in the anode 4, is sent to the sample holder 12. The degree of purification of the plasma from the particles and neutral atoms is determined by the number of the magnetic field and the intermediate electrodes installed in them. For most applications, the degree of purification achieved with a number of intermediate electrodes of two is sufficient.