close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15519

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.02.28
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 15519
(13) C1
(19)
H 05H 1/24 (2006.01)
C 23C 14/24 (2006.01)
ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ПЛАЗМЫ
ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ АЛМАЗОПОДОБНОЙ ТОНКОЙ ПЛЕНКИ
(21) Номер заявки: a 20091556
(22) 2009.11.02
(43) 2011.06.30
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Зеленин Виктор Алексеевич; Зеленковский Эдуард Михайлович; Акула Игорь Петрович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) SU 1577675 A3, 1994.
BY 9264 C1, 2007.
BY 10555 C1, 2008.
SU 1291009 A4, 1994.
SU 1568874 A4, 1994.
SU 884091, 1981.
DE 4008850 A1, 1991.
BY 15519 C1 2012.02.28
(57)
1. Импульсный генератор электроэрозионной плазмы для нанесения алмазоподобной
тонкой пленки, содержащий кольцевой нерасходуемый анод, кольцевой расходуемый катод, кольцевой экран и систему поджига, включающую эксцентрично расположенный по
отношению к оси генератора кольцевой изолятор, на конической поверхности которого
выполнен пленочный токопровод, находящийся в локальном контакте с электродом поджига, и кольцевой нерасходуемый инициирующий электрод, находящийся в протяженном
контакте с пленочным токопроводом, при этом кольцевой изолятор снабжен механизмом
согласованного вращения изолятора вокруг собственной оси и вращения оси изолятора
BY 15519 C1 2012.02.28
вокруг оси генератора, причем диаметр отверстия кольцевого изолятора превышает
наружный диаметр электрода поджига, отличающийся тем, что кольцевой нерасходуемый анод выполнен охлаждаемым, кольцевой расходуемый катод - охлаждаемым графитовым, внутри которого расположена система поджига, а электрод поджига выполнен в
форме цилиндра и расположен по оси генератора.
2. Импульсный генератор по п. 1, отличающийся тем, что рабочая поверхность кольцевого расходуемого охлаждаемого графитового катода выполнена в виде, по меньшей
мере, двух внутренних конических поверхностей с углом при вершине от 60 до 90° и с
расширением конусов в сторону выходного отверстия генератора.
Предлагаемое изобретение относится к области вакуумно-плазменной техники и технологии и может быть использовано для получения высококачественных алмазоподобных
тонких пленок различного функционального назначения осаждением из генерируемых в
вакууме импульсных потоков углеродной плазмы.
Известны импульсные генераторы электроэрозионной плазмы, основными рабочими
элементами которых являются охлаждаемый цилиндрический графитовый катод с расходуемым торцом и расположенный соосно с ним кольцевой нерасходуемый анод. Инициирующую плазму, необходимую для возбуждения основного импульсного вакуумнодугового разряда постоянного тока в межэлектродном промежутке "катод - анод", получают за счет устройств возбуждения вспомогательных вакуумно-дуговых разрядов [1, 2].
Использование в генераторе устройств возбуждения вспомогательных разрядов относительно небольшой энергоемкости позволяет повысить надежность возбуждения основного
разряда и снизить неравномерность эрозии рабочей поверхности (торца) цилиндрического
катода генератора.
Получение углеродных пленок из плазмы импульсного катодно-дугового разряда основано на эффекте эрозии катода из графита при действии импульсного катодно-дугового
разряда в вакууме, формировании направленного к подложке потока (факела) плазмы в
ускорителях плазмы и конденсации ее на подложку.
Основным недостатком указанных импульсных вакуумно-дуговых генераторов плазмы является малый ресурс их эффективной работы, что обусловлено малой площадью рабочей поверхности (торца) катода и его неравномерной эрозией (выработкой) при
импульсных разрядах. В результате торцевая поверхность катода приобретает развитый
макрорельеф, что приводит к снижению качества осаждаемых алмазоподобных пленок.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом предлагаемого изобретения) является импульсный генератор электроэрозионной плазмы [3], содержащий кольцевой нерасходуемый анод, кольцевой расходуемый катод, кольцевой экран и систему
поджига, включающую эксцентрично расположенный по отношению к оси генератора
кольцевой изолятор, на конической поверхности которого выполнен пленочный токопровод, находящийся в локальном контакте с электродом поджига, и кольцевой нерасходуемый инициирующий электрод, находящийся в протяженном контакте с пленочным
токопроводом, при этом кольцевой изолятор снабжен механизмом согласованного вращения изолятора вокруг собственной оси и вращения оси изолятора вокруг оси генератора.
В результате согласованного вращения изолятора происходит его обкатывание по
поверхности электрода поджига. При этом точка локального электрического контакта,
нанесенного на коническую поверхность изолятора тонкопленочного проводника с расходуемым электродом поджига, постоянно перемещается, что приводит к соответствующему перемещению зоны возбуждения вспомогательного импульсного дугового разряда. В
свою очередь это приводит к перемещению зоны зарождения основного дугового разряда
в межэлектродном промежутке "катод - анод", что повышает равномерность выработки
2
BY 15519 C1 2012.02.28
рабочей поверхности катода и способствует повышению качества осаждаемых алмазоподобных пленок.
Основным недостатком вышеописанного импульсного генератора электроэрозионной
плазмы является малый ресурс его эффективной работы.
Ограниченный ресурс эффективной работы генератора обусловлен электроэрозионной
выработкой электрода поджига и малой площадью рабочей поверхности (торца) катода.
При эксплуатации генератора со временем все меньшая часть плазмы, генерируемой в системе поджига, попадает на расходуемый торец катода, что приводит к снижению эффективности поджига основного дугового разряда в межэлектродном промежутке "катод анод". Кроме того, наличие острых кромок у изолятора приводит к их преждевременному
износу и выкрашиванию. В результате после 100 тысяч импульсов основного дугового
разряда вероятность срабатывания генератора снижается до 90-95 %.
Кроме того, рабочая поверхность катода, а именно его торец, имеющий сравнительно
небольшой диаметр (у аналогов и прототипа порядка 30-35 мм), вследствие неравномерного распределения дуговых разрядов приобретает сильно развитый рельеф. В результате
изменяются направления распространения потоков плазмы и траектории движения микрочастиц от микропятен дугового разряда на рабочей поверхности катода. Это также снижает ресурс эффективной работы генератора плазмы.
Задачей заявляемого изобретения является повышение ресурса эффективной работы
генератора плазмы.
Поставленная задача решается тем, что в импульсном генераторе электроэрозионной
плазмы для нанесения алмазоподобной тонкой пленки, содержащем кольцевой нерасходуемый анод, кольцевой расходуемый катод, кольцевой экран и систему поджига, включающую эксцентрично расположенный по отношению к оси генератора кольцевой изолятор,
на конической поверхности которого выполнен пленочный токопровод, находящийся в
локальном контакте с электродом поджига, и кольцевой нерасходуемый инициирующий
электрод, находящийся в протяженном контакте с пленочным токопроводом, при этом
кольцевой изолятор снабжен механизмом согласованного вращения изолятора вокруг собственной оси и вращения оси изолятора вокруг оси генератора, причем диаметр отверстия
кольцевого изолятора превышает наружный диаметр электрода поджига; кольцевой
нерасходуемый анод выполнен охлаждаемым, кольцевой расходуемый катод - охлаждаемым графитовым, внутри которого расположена система поджига, а электрод поджига
выполнен в форме цилиндра и расположен по оси генератора; а также тем, что рабочая
поверхность кольцевого расходуемого охлаждаемого графитового катода выполнена в виде, по меньшей мере, двух внутренних конических поверхностей с углом при вершине от 60
до 90° и с расширением конусов в сторону выходного отверстия генератора.
Вышеописанное техническое решение обеспечивает при подаче от управляемого
источника питания импульсов напряжения в цепь "кольцевой нерасходуемый инициирующий электрод - тонкопленочный токопровод - электрод поджига" локальное электровзрывное испарение материала тонкопленочного токопровода. Плазма от электровзрывного испарения материала тонкопленочного токопровода заполняет вакуумный
промежуток между электродом поджига и кольцевым экраном, являющимся одновременно вспомогательным анодом, так как он подсоединен к положительному полюсу конденсаторной батареи, отрицательный полюс которой соединен с электродом поджига. В
результате между электродом поджига и вспомогательным анодом (экраном) возникает
инициирующий импульсный вакуумно-дуговой разряд, сопровождающийся получением
инициирующей плазмы из материала электрода поджига.
Факел инициирующей плазмы, распространяясь от цилиндрической поверхности
электрода поджига в сторону кольцевого экрана, достигает рабочей конической поверхности катода и, в свою очередь, перемыкает вакуумный промежуток между электродом
поджига и рабочей конической поверхностью катода. При этом на рабочей поверхности
3
BY 15519 C1 2012.02.28
катода возникают локальные катодные пятна и между электродом поджига и рабочей конической поверхностью катода происходит предварительный импульсный вакуумнодуговой разряд, факел плазмы которого распространяется от рабочей конической поверхности катода в сторону оси генератора. При достижении плазмой анода происходит возбуждение основного импульсного вакуумно-дугового разряда между катодом и анодом
генератора, которые связаны между собой электрической цепью, подключенной к основной конденсаторной батарее, отрицательный полюс которой соединен с катодом, а положительный - с анодом генератора.
Зона возбуждения инициирующего импульсного дугового разряда перемещается от
импульса к импульсу, что приводит к постоянному перемещению зоны возбуждения
предварительного и основного разрядов на рабочей конической поверхности катода. При
эрозионной выработке первой (и последующих) рабочей конической поверхности (после
400-600 тысяч основных разрядов) катод смещают вдоль оси генератора таким образом,
чтобы факел дополнительного импульсного вакуумно-дугового разряда был направлен на
следующую рабочую коническую поверхность катода. Выработавшая свой ресурс первая
(и последующие) коническая поверхность катода перемещается при этом в закрытую
экраном область генератора и не принимает участия в процессе последующего генерирования плазмы. Часть плазменного потока основного дугового разряда осаждается на изоляторе системы поджига, в результате происходит самовосстановление локально
испаренного участка, нанесенного на изолятор тонкопленочного проводника.
Увеличение ресурса эффективной работы импульсного генератора электроэрозионной
плазмы достигается как значительно большей (в 3,5-4 раза) общей площадью рабочих конических поверхностей кольцевого катода по сравнению с площадью торца цилиндрического катода у прототипа, так и более совершенной конструкцией системы поджига.
Электроэрозионный износ боковой цилиндрической поверхности электрода поджига в
предложенной конструкции системы поджига почти не оказывает влияния на направление
факела инициирующей плазмы, распространяющегося по нормали к цилиндрической поверхности электрода поджига в направлении экрана (вспомогательного анода) и катода
генератора и стабильно перемыкающей вакуумные промежутки между ними. Износа и
выкрашивания (как у прототипа) изолятора вследствие отсутствия в предложенной конструкции изолятора острых кромок при эксплуатации генератора также не происходит.
Кроме того, использование в предложенной конструкции генератора экрана в качестве
вспомогательного анода, который развивает разряд на электроде поджига, позволяет повысить ресурс надежной работы генератора с вероятностью срабатывания основного дугового разряда не менее 95 % с 200 тысяч до 800-1000 тысяч импульсов.
Наличие перечисленных положительных факторов в их совокупности способствует
решению поставленной задачи изобретения.
На чертеже схематично изображен предлагаемый в качестве изобретения импульсный
генератор электроэрозионной плазмы для нанесения алмазоподобной пленки.
Он содержит кольцевой нерасходуемый охлаждаемый анод 1, кольцевой расходуемый
графитовый катод 2, установленный соосно с анодом и выполненный с возможностью перемещения вдоль оси генератора (показано стрелкой), и экран (вспомогательный анод) 3.
Внутри кольцевого катода размещена система поджига (возбуждения разряда), включающая расположенный по оси генератора цилиндрический электрод поджига 4 из графита,
эксцентрично расположенный по отношению к оси генератора кольцевой изолятор поджига 5, на конической поверхности которого, обращенной в сторону катода, выполнен
пленочный токопровод 6, находящийся в локальном контакте с электродом поджига 4, и
кольцевой нерасходуемый инициирующий электрод 7, находящийся в протяженном контакте с пленочным токопроводом 6. Кольцевой изолятор снабжен механизмом 8 согласованного вращения изолятора вокруг собственной оси и вращения оси изолятора вокруг
оси генератора, причем диаметр отверстия кольцевого изолятора превышает наружный
диаметр электрода поджига 4.
4
BY 15519 C1 2012.02.28
Генератор плазмы работает следующим образом. После достижения в оснащенной генератором вакуумной камере остаточного давления ∼ 1⋅103 Па, включают электронную
систему управления генератором (на чертеже не показана), которая запускает механизм 8
согласованного вращения изолятора 5 вокруг собственной оси и вращения оси изолятора
вокруг оси генератора и по заданной программе отслеживает весь процесс нанесения алмазоподобной пленки. При подаче от системы управления импульса напряжения в цепь
"кольцевой нерасходуемый инициирующий электрод 7 - тонкопленочный токопровод 6 электрод поджига 4" происходит локальное электровзрывное испарение материала тонкопленочного токопровода 6.
Плазма от электровзрывного испарения материала тонкопленочного токопровода 6 заполняет вакуумный промежуток между электродом поджига 4 и кольцевым экраном 3,
который одновременно является вспомогательным анодом.
В результате между электродом поджига 4 и вспомогательным анодом (экраном) 3
возникает инициирующий импульсный вакуумно-дуговой разряд, сопровождающийся получением инициирующей плазмы из материала электрода поджига 4 (графита).
Факел плазмы инициирующего импульсного вакуумно-дугового разряда, в свою очередь, перемыкает вакуумный промежуток между электродом поджига 4 и установленной
на ее пути первой рабочей конической поверхностью катода 2. В результате между ними
возникает предварительный импульсный вакуумно-дуговой разряд, факел плазмы которого распространяется от рабочей конической поверхности катода 2 в сторону оси генератора. При достижении плазмой предварительного импульсного вакуумно-дугового разряда
анода 1 происходит возбуждение основного импульсного вакуумно-дугового разряда
между катодом 2 и анодом 1 генератора.
Частота поступающих в систему поджига импульсов напряжения задается программой
и изменяется в пределах от долей до десятков Гц. Зона возбуждения инициирующего и
вспомогательного импульсных дуговых разрядов перемещается от импульса к импульсу,
что приводит к постоянному перемещению зоны возбуждения предварительного и основного разрядов на рабочей конической поверхности катода. При эрозионной выработке
первой (и последующих) рабочей конической поверхности катод смещают вдоль оси генератора таким образом, чтобы факел инициирующего импульсного вакуумно-дугового
разряда был направлен на следующую рабочую коническую поверхность катода. Выработавшая свой ресурс первая (и последующие) рабочая поверхность катода перемещается
при этом в закрытую экраном область генератора и не принимает участия в процессе последующего генерирования плазмы.
Угол при вершине рабочей конической поверхности катода в предложенной конструкции генератора не может быть меньше 60°. При меньших углах часть факела плазмы
основного импульсного вакуумно-дугового разряда, распространяющегося в телесном угле порядка 60° с осью, направленной по нормали к поверхности катода в точке дугового
разряда, будет распространяться в сторону, противоположную выходному отверстию генератора, и отсекаться кольцевым экраном 3, что приведет к снижению скорости нанесения алмазоподобной пленки.
При углах при вершине конической поверхности катода, больших 90°, площади поверхностей ступенек, разделяющих смежные рабочие конические поверхности, будут превышать площади самих рабочих конических поверхностей. При этом неизбежно
частичное экранирование факела плазмы основного импульсного вакуумно-дугового разряда этими ступеньками, что также приведет к снижению скорости нанесения алмазоподобной пленки.
Пример использования генератора плазмы.
Предложенная конструкция импульсного генератора электродуговой плазмы прошла
испытания в промышленной установке УВНИПА-1-001, предназначенной для нанесения
алмазоподобных покрытий.
5
BY 15519 C1 2012.02.28
Катоды с различными углами наклона конических рабочих поверхностей изготавливали
из графита марки МПГ-6 чистотой 99,999 %. В качестве подложек для нанесения пленок использовали полированные полупроводниковые монокристаллические кремниевые пластины
∅100 мм с шероховатостью поверхности по показателю RZ = 0,021-0,024 мкм, которые поочередно устанавливали на подложкодержателе, расположенном у выходного отверстия четвертьтороидального сепаратора, входной фланец которого был пристыкован к выходному
отверстию генератора плазмы. Алмазоподобные пленки наносили при остаточном давлении в
вакуумной камере ∼ 5⋅10-3 Па при частоте следования импульсов разряда 3 Гц. Ток импульса
достигал 2000 A. Количество импульсов регистрировалось счетным устройством. Время
нанесения пленки составляло 15-20 мин, а их толщина - от 0,1 до 0,3 мкм.
Влияние угла при вершине рабочей конической поверхности катода на скорость осаждения алмазоподобной пленки и ресурс эффективной работы генератора представлены в
таблице.
Влияние величины угла при вершине рабочей поверхности катода на скорость
осаждения алмазоподобной пленки и ресурс эффективной работы генератора
Угол при вершине рабочей Скорость оса- Ресурс эффективной рабоконической поверхности ждения пленки, ты (тыс. импульсов сраба- Примечание
катода, град
нм/с
тывания)
Запредельный
55
0,1
600
режим
60
0,18
800
70
0,2
900
80
0,26
1000
90
0,28
1000
Запредельный
95
0,1
800
режим
Прототип
0,15
200
Из приведенных в таблице данных видно, что заявленное техническое решение позволяет повысить ресурс эффективной работы импульсного генератора электродуговой плазмы в 4-5 раз по сравнению с ресурсом источника-прототипа при сохранении приемлемой
скорости осаждения алмазоподобной пленки.
Источники информации:
1. А.с. SU 1168070, 1983.
2. А.с. SU 1568874, 1988.
3. А.с. SU 1577675, 1988.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
211 Кб
Теги
by15519, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа