Электродуговой испаритель для нанесения покрытий в вакууме

 

Cущностью изобретения является электродуговой испаритель, содержащий расходуемый катод 1, анод-камеру 2, поджигающий электрод 3. Основная часть ионно-плазменного потока распространяется изотропно через срез экрана 4 в сторону подложкодержателя с изделием 5, которые расположены на расстоянии двух диаметров катода 1. Для стабилизации горения вакуумной дуги подложка-изделие 5 - соединена посредством переменного сопротивления 7 с положительным полюсом источника 6 постоянного тока. Экран выступает над торцевой поверхностью катода на расстояние, равное 0,7 - 0,8 диаметра катода. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области нанесения покрытий в вакууме и может быть использовано в электронной технике, приборостроении, станкоинструментальной промышленности и других отраслях техники.

Известен электродуговой испаритель металлов для нанесения покрытий в вакууме, состоящий из анода рабочей камеры, расходуемого катода, выполненного в виде диска с поверхностью испарения и проводника, соединяющего катод с анодом через резистор (1).

Однако данный электродуговой испаритель металлов не позволяет эффективно с высокой скоростью и КПД распылять материал катода низковольтной сильноточной дугой и наносить вакуумно-плазменные покрытия. С помощью данной конструкции образование плазменного потока, генератором плазмы которого является катод, осаждение покрытия осуществляется по всему объему камеры, что делает данное устройство недостаточно эффективным по использованию распыляемого материала, скорости напылениями и производительности.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому является электродуговой испаритель, содержащий анод, являющийся одновременно рабочей камерой, испаряемый катод, охватывающий нерабочую поверхность катода, экран и поджигающее приспособление (2).

Недостатком данного устройства является низкая скорость осаждения вакуумно-плазменных покрытий и невысокий коэффициент использования материала-катода, распыляемого низковольтной сильноточной дугой, ввиду того, что при распылении торцевой поверхности катода под действием взрывной электронной эмиссии образованный плазменный поток распыляется изотропно в полусфере над плоской испаряющей рабочей поверхностью испаряемого материала и основная часть ионов осаждается на поверхности анода и рабочей камеры в виде мелкодисперсной пыли и не может использоваться вторично за счет загрязнения ее от рабочих стенок камеры, паров масла, газа и др. В связи с этим электродуговой испаритель характеризуется низкой производительностью и недостаточной эффективностью.

Заявляемый электродуговой испаритель обеспечивает увеличение коэффициента использования материала катода, переводимого в плазменное состояние низковольтной дугой, и повышение скорости напыления покрытий.

Предлагаемый электродуговой испаритель для нанесения покрытий в вакууме, содержащий расходуемый катод, анод-камеру, поджигающий электрод, охватывающий боковую поверхность катода экран, источник питания и переменное сопротивление, отличается тем, что он снабжен подложкодержателем, экран выполнен цилиндрической формы и установлен с выступанием его на торцевой рабочей поверхностью катода на расстояние 0,7 0,8 диаметра катода, а подложкодержатель соединен с источником питания и анодом-камерой через переменное сопротивление. При этом подложко-держатель размещен от катода на расстояние 1,7 1,8 диаметра катода, при этом высота подложкодержателя равна 2,4 2,6 диаметра катода.

Применение экрана, выступающего на расстоянии менее 0,7 диаметра катода от его торцевой поверхности способствует возрастанию количества ионов, поступающих на анод, что приводит к увеличению неиспользованного материала, которое может быть компенсировано приближением подложкодержателя к катоду, что в свою очередь может привести к перегреву изделия и его оплавлению. Увеличение выступающей части экрана свыше 0,8 диаметра катода может привести к полному экранированию электронного потока, что вызовет нестабильное горение вакуумной дуги.

Установка изделия с подложкодержателем, имеющего размеры 2,4 2,6 диаметра катода на расстоянии 1,7 1,8 диаметра катода от торцевой рабочей испаряемой поверхности катода позволяет увеличить количество поступающих ионов за счет перекрывания основной части плазменного потока и тем самым увеличить скорость нанесения покрытия. Учитывая, что при близком расположении изделия от источника плазменного потока может возникнуть значительный его перегрев, подложкодержатель выполнен водоохлаждаемым. Для улучшения эксплуатационных характеристик покрытий, полученных на изделиях, и стабильного горения вакуумной дуги подложкодержатель соединен через переменное сопротивление с положительным полюсом источника питания и анодом-корпусом камеры. Это позволяет изменять температуру нагрева изделия и частично замыкать электронный поток по электрической цепи катод плазменный поток подложкодержатель - переменное сопротивление анод-камера положительный полюс источника питания испарителя.

Таким образом, соблюдение размерностей в выполнении и взаимного расположения цилиндрического экрана и подложкодержателя относительно катода позволяет создать электродуговой испаритель для высокоскоростного нанесения покрытий и использовать на 70 75 материал катода, переводимого в плазменное состояние.

На фиг. 1 представлен заявляемый электродуговой испаритель для нанесения покрытий: вид сбоку.

Предлагаемый электродуговой испаритель для нанесения покрытий в вакууме содержит водоохлаждаемый катод 1, анод-камеру 2, поджигающий электрод 3, экран 4, выступающий над рабочей торцевой испаряющейся поверхностью катода 1 и охватывающий его боковую поверхность. Зазор между боковой поверхностью катода 1 и экраном составляет 1,0 1,5 мм. Напротив катода 1 расположен подложкодержатель с изделием 5, соединенный с источником постоянного тока 6 и анод-камерой 2 через переменное сопротивление 7.

Электродуговой испаритель для нанесения покрытий работает следующим образом.

При возбуждении дугового разряда между анодом-камерой 2 и расходуемым водоохлаждаемым катодом 1 с помощью поджигающего электрода 3 катодные пятна дуги хаотически перемещаются по торцевой рабочей поверхности катода 1 и испаряют его. Основная часть ионно-плазменного потока распространяется приблизительно изотропно через срез экрана 4 в сторону подложкодержателя с изделием 5, которые расположены на расстоянии 2-х диаметров катода 1. Ввиду того, что подложка с изделием 5 в процессе нанесения покрытий может достаточно сильно разогреваться из-за близкого расположения источника плазмы подложкодержатель выполняется водоохлаждаемым. Для стабилизации горения вакуумной дуги, в связи с тем, что подложкодержатель с изделием 5 экранирует основную часть анода-камеры 2, подложка 5 соединена посредством переменного сопротивления 7 с положительным полюсом источника постоянного тока 6 электродугового испарителя. Это позволяет регулировать нагрев изделий. Таким образом регулирование прохождения тока дуги через подложку 5 позволяет стабилизировать горение вакуумной дуги и поддерживать заданную температуру нагрева подложкодержателя с изделием 5 в процессе напыления покрытия. Распыляемый материал, направление которого менее 45^o, осаждается на экране 4, который выступает от торцевой испаряемой поверхности катода 2 на 0,7 0,8 диаметра катода 2. При нанесении покрытий на изделия, выполненные из диэлектрических материалов, стабилизация горения вакуумной дуги осуществляется за счет попадания и замыкания плазменного потока между экраном 4 и изделием с подложкой, т.е. с анодом камеры в первоначальный момент и при нанесении тонкого электропроводного слоя, ток дуги может быть увеличен, так как подложкодержатель с изделием 5 выполняет роль анода, соединенного с ним через переменное сопротивление.

Пример.

Электродуговой испаритель металлов, выполненный с катодом диаметром 40 мм из драгоценного материала: платины, используют для нанесения в вакууме покрытий толщиной 1 мкм на фильтр, изготовленный из высокопористого ячеистого материала, поверхностным слоем которого является диэлектрик-окись алюминия. Фильтр диаметром 100 мм, что составляет 2,5 диаметра катода устанавливается на подложкодержатель с таким же диаметром. Расстояние между катодом и фильтром составляет 72 мм, т.е. 1,8 диаметра катода. Цилиндрический экран, охватывающий боковую поверхность катода и изолированный от него, выступает на 28 мм (0,7 диаметра катода) от рабочей испаряемой торцевой поверхности катода. В случае диэлектрического образца это расстояние выбирается несколько меньшим для того, чтобы в первоначальный момент стабилизировать горение вакуумной дуги и замкнуть плазменный поток на корпус анода. При нанесении покрытия на металлические образцы данное соотношение увеличивают до 0,8 и плазменный поток замыкается и поддержание горения дуги осуществляется только прохождением тока дуги через подложкодержатель.

Нанесение платины на фильтр, выполненный из диэлектрика осуществляется следующим образом. При создании вакуума в объеме испарителя осуществляется поджиг вакуумной дуги посредством поджигающего электрода, в первоначальный момент благодаря частичному замыканию плазменного потока осуществляется стабилизация горения вакуумной дуги, которая составляет 30 А, по мере нанесения электропроводящего покрытия ток дуги увеличивается до 80 А. Благодаря тому, что на диэлектрик наносится тонкий электропроводящий слой, ток, проходящий через корпус-анод уменьшается до 10 15 А. В процессе напыления и прохождения тока через изделие и подложку, изделие нагревается до температуры 623 675 К, чем обеспечивается высокое качество покрытия и адгезия его к образцу. Температура подложки и изделия может регулироваться от 293 до 873 К. Как путем изменения величины переменного сопротивления, которое позволяет увеличивать и уменьшать ток вакуумной дуги, так и за счет того, что подложка выполнена водоохлаждаемой. Скорость напыления пластины составляют 3 мкм/мин, коэффициент использования материала, осаждаемого непосредственно на изделие составляет 65 70 Количество осаждаемого материала на экран составляет 25% Этот материал может использоваться вторично, поскольку по своим свойствам не уступает компактному материалу. Осажденный на экран материал снимается с него и прессуется в таблетку для повторного использования.

Таким образом, заявляемая конструкция электродугового испарителя позволяет увеличить коэффициент использования материала непосредственно при осаждении до 70 и при вторичном использовании до 100

Формула изобретения

1 1. Электродуговой испаритель для нанесения покрытий в вакууме, содержащий расходуемый катод, анод-камеру, поджигающий электрод, охватывающий боковую поверхность катода экран, источник питания и переменное сопротивление, отличающийся тем, что он снабжен подложкодержателем, экран выполнен цилиндрической формы и установлен с выступанием его над торцевой рабочей поверхностью катода на расстояние 0,7 0,8 диаметра катода, а подложкодержатель соединен с источником питания и анодом-камерой через переменное сопротивление. 2 2. Испаритель по п.1, отличающийся тем, что подложкодержатель размещен от катода на расстоянии 1,7 1,8 диаметра катода, при этом высота подложкодержателя равна 2,4 2,6 диаметра катода.

РИСУНКИ

Рисунок 1