Способ импульсно-периодической ионной и плазменной обработки изделия и устройство для его осуществления

 

Способ импульсно-периодической ионной и плазменной обработки изделий и устройство для его осуществления относятся к области технической физики и предназначены для изменения свойств поверхностных слоев изделий путем ионной имплантации или плазменным осаждением покрытий в условиях импульсно-периодической ионной имплантации. Способ предусматривает поочередную обработку изделий плазмой дугового разряда и импульсами ионов, ускоряемых из этой плазмы. Генерацию плазмы осуществляют непрерывно. Соотношение доз облучения ускоренными ионами и плазмой регулируют за счет изменения частоты следования, длительности импульсов ускоряющего напряжения изменения расстояния от источника ионов и плазмы до изделия. Устройство для реализации способа содержит вакуумно-дуговой испаритель в виде коаксиальных наружного анода и внутреннего катода, снабженного узлом поджига, и импульсную систему ускорения ионов из плазмы испарителя. Вакуумно-дуговой испаритель выполнен с постоянным источником питания дуги и снабжен средством для стабилизации горения непрерывной дуги и устройством очистки плазмы от микрокапельной фракции. Для стабилизации горения непрерывной дуги на аноде расположены магнитные катушки с наружным экраном из магнитного материала, через обмотки которых к аноду подключен источник питания дуги, а магнитный экран электрически соединен с анодом. Устройство очистки плазмы от микрокапельной фракции расположено у открытого торца анода и выполнено в виде коаксиальной системы жалюзных электродов, выполненный в виде коаксиальных усеченных полых конусов. Форма каждого электрода близка к форме силовых линий магнитного поля в месте расположения электродов. Жалюзная система подключена к положительному выводу дополнительного источника напряжения, вторым выводом подключенного к аноду. 3 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технической физике, в частности к радиационному материаловедению, и предназначено для изменения механических, химических, электрофизических свойств приповерхностных слоев металлов, сплавов, полупроводников, диэлектриков и других материалов путем нанесения покрытий или изменения состава поверхностных слоев ионной имплантацией.

Известен способ ионной имплантации (см. авт. св. N 1412517, кл. H 01 J 37/317), заключающийся в следующем. С помощью импульсного вакуумно-дугового разряда генерируют импульсы плазмы, из которой затем ускоряют ионы. Ускоренными ионами облучают образец, затем вновь генерируют импульсы плазмы и облучают образец потоком плазмы. Указанные операции повторяют многократно и поочередно. В данном способе плазменный поток компенсирует поток распыляемых под действием ионной бомбардировки атомов образца, что позволяет повысить в образце концентрацию имплантируемой примеси. Однако поочередное облучение образца ионами и плазмой приводит к осаждению на образце в промежутках между импульсами посторонних примесей.

Этот недостаток устранен в способе импульсно-периодической ионной и плазменной обработки (авт. св. N 1764335, кл. C 23 C 14/32). По этому способу также с помощью вакуумно-дугового разряда генерируют импульсы плазмы и ускоряют ионы. В отличии от предыдущего способа в каждом импульсе генерации плазмы из нее ускоряют ионы и проводят облучение образца плазмой и ионами как одновременно, так и последовательно (сразу после окончания ионного облучения). Соотношение доз ионного и плазменного облучений регулируют соотношением длительностей импульсов генерации плазмы и ускорения ионов. Устройство для осуществления этого способа полностью аналогично предыдущему, только немного в ином режиме.

Устройство содержит импульсный вакуумно-дуговой испаритель и систему ускорения ионов из плазмы испарителя. Вакуумно-дуговой испаритель представляет собой вакуумную камеру, в которой размещена коаксиальная система - катод и анод. Катод снабжен поджигающим электродом, между ним и катодом включен источник поджигающего напряжения (для зажигания дуги). Между анодом и катодом включен импульсный источник питания дугового разряда. На некотором расстоянии от анод-катодной системы расположен извлекающий электрод. Между ним и анодом включен импульсный источник ускоряющего напряжения. Источник питания дугового разряда и источник ускоряющего напряжения синхронизированы, при этом импульс питания дуги длиннее импульса ускоряющего напряжения. В результате в одном импульсе горения дуги происходит обработка как ионным пучком, так и плазмой после окончания действия импульса ускоряющего напряжения.

Данное устройство имеет низкий ресурс работы, определяемый двумя факторами. Во-первых, ресурс работы вакуумного дугового испарителя при его работе в импульсном режиме определяется разрушением элементов узла поджига. Во-вторых, за время длительности импульса горения дуги (а это время составляет сотни мкс) катодное пятно не успевает переместиться на значительное расстояние по поверхности катода, что ограничивает рабочую поверхность, а следовательно и рабочий объем катода. С импульсным характером процессов плазменного и ионного облучений связана и невысокая производительность ионно-плазменной обработки. Повышение ее за счет удлинения импульсов облучения приводит к появлению в процессе облучения в ионном и плазменном потоках микрокапельной фракции, а следовательно ухудшает качество обработки материалов. Таким образом по прежнему остается актуальной задача создания высокопроизводительного способа ионной и плазменной обработки изделий, реализуемого в установке с высоким ресурсом работы.

Для решения этой задачи в способе импульсно-периодической ионной и плазменной обработки изделия, как и в прототипе, производят генерацию плазмы с помощью вакуумно-дугового разряда и импульсно-периодическое ускорение из этой плазмы ионов. Затем многократно и поочередно облучают образец ускоренными ионами и плазмой с регулированием соотношения доз его облучения ионным потоком и плазмой. В отличие от прототипа генерацию плазмы осуществляют непрерывно, а соотношение доз облучения плазмой и ускоренными ионами регулируют за счет изменения частоты следования, длительности импульсов ускоряющего напряжения и изменением расстояния от источника до изделия.

Устройство для осуществления способа, как и прототип, содержит вакуумно-дуговой испаритель и импульсную систему ускорения ионов из плазмы испарителя. Вакуумно-дуговой испаритель содержит размещенные в вакуумной камере коаксиальные катод и анод. Катод снабжен поджигающим электродом с источником поджига. Между катодом и анодом включен источник питания дуги. В отличие от прототипа вакуумно-дуговой испаритель выполнен с постоянным источником питания дуги для осуществления непрерывной генерации плазмы и снабжен средством для стабилизации горения непрерывной дуги и устройством очистки плазмы от микрокапельной фракции.

Вакуумно-дуговой испаритель для реализации непрерывной генерации плазмы в самом общем случае в качестве источника питания дуги должен иметь постоянный источник питания. Кроме того, для стабилизации горения непрерывной дуги в анод-катодном зазоре необходимо наличие магнитного поля. В предлагаемом устройстве для этого на аноде расположены магнитные катушки с наружным экраном из магнитного материала, через обмотки которых к аноду подключен источник питания дуги, причем экран электрически соединен с анодом. Плазма непрерывного вакуумно-дугового испарителя содержит значительное количество микрокапельной фракции, атомарной и молекулярной компоненты, что значительно ухудшает качество обработки изделий. Поэтому вакуумно-дуговой испаритель необходимо снабдить устройством очистки плазмы вакуумно-дугового испарителя от микрокапель. Оно может быть выполнено по-разному. Можно использовать систему, описанную в (Аксенов И.И, Белоус В.В. и др. // Физика плазмы, т.4, вып. 4, 1978, с. 758). Ниже предложен еще один вариант системы очистки плазмы, наиболее простой и подходящий к конкретному устройству, сочетающему в себе как вакуумно-дуговой испаритель, так и источник ионов.

Устройство очистки плазмы расположено у открытого торца анода и представляет собой коаксиальную систему жалюзных электродов, выполненных в виде усеченных полых конусов, причем угол конусности выбран так, что форма каждого из электродов близка к форме силовых линий магнитного поля в месте расположения электродов и жалюзная система подключена к положительному выводу дополнительного источника напряжения, вторым выводом подключенного к аноду вакуумно-дугового испарителя.

Устройство схематически изображено на чертеже.

Устройство содержит катод 1, анод 2, поджигающий электрод 3, керамический изолятор с резистивным покрытием 4, магнитные катушки 5, конический жалюзный фильтр очистки плазмы от микрокапельной фракции 6, извлекающий электрод 7, электрод 8, импульсный источник питания поджига дуги 9, вакуумная камера напыления 10, постоянный источник питания дуги 11, дополнительный улавливатель микрочастиц 12, электростатический экран 13, образец 14, экран 15, магнитный экран 16, высоковольтный изолятор 17, внешний корпус источника 18, изолирующий наполнитель 19, импульсно-периодический источник ускоряющего напряжения 20, импульсно-периодический источник напряжения 21, электрод 22, источник напряжения смещения на жалюзной системе фильтра 6 очистки плазмы от микрокапельной фракции 23.

Анод-катодный и поджигающий узлы вакуумно-дугового испарителя 1 - 4, а также источник питания поджига дуги 9 полностью аналогичны прототипу. Отличие от него составляет источник питания дуги 11, который выполнен постоянным. Снаружи анода 2 дополнительно установлены магнитные катушки 5, формирующие в анод-катодом зазоре магнитное поле, стабилизирующее горение постоянной дуги. Магнитные катушки 5 запитываются от источника питания дуги 11, для чего источник подключен к аноду 2 через обмотки этих катушек. Экран 16, выполненный из ферромагнитного материала, электрически соединен с анодом. Наличие экрана обеспечивает отсутствие магнитного поля в области между экраном 16 и внешним корпусом 18, что позволяет создавать значительные по величине ускоряющие поля между системой электродов 22 и 7, при подаче высоковольтного импульса от источника 20. Электростатический экран 13 исключает возможность появления катодного пятна на нерабочей поверхности катододержателя. Источники питания 9, 11, 23, а также все элементы конструкции источника плазмы расположены в одном экране 15, электрически связанным с анодом 2 для уменьшения паразитных емкостей между этими источниками и внешним экраном 18. Анод 2 и катод 1 охлаждаются прокачкой дистиллированной воды или керосина. Высоковольтный изолятор 17 электрически разделяют элементы конструкции источника плазмы от заземленного внешнего корпуса 18. Вблизи торцевой поверхности анода 2 установлен фильтр для очистки плазменного потока от микрокапельной фракции. Фильтр представляет собой жалюзийную систему электродов 6 из коаксиальных усеченных полых конусов. Каждая из образующих коаксиальных конусов выполнена в форме близкой к форме силовых линий магнитного поля, сформированного в области торца анода 2 магнитными катушками 5, в результате силовые линии магнитного поля параллельны поверхности жалюзных электродов 6. Конусы расположены таким образом, чтобы перекрыть прямой пролет микрочастиц с катода 1 в ускоряющий зазор. Все конусы электрически связаны между собой. На конический жалюзийный фильтр микрочастиц относительно анода 2 от источника 23 подается положительный потенциал. После конического жалюзного фильтра 6 со стороны ускоряющего зазора установлен электрод-сетка 22, электрически связанный с анодом 2 и геометрически повторяющий форму обращенного в его сторону торца конического фильтра. На некотором расстоянии от электрода 22 с вакуумным зазором компланарно установлен извлекающий электрод 7, а за ним заземленный электрод 8. Источник ускоряющего напряжения 20 включен между анодом 2 дугового испарителя и извлекающим электродом 7, причем положительный ускоряющий потенциал прикладывается к аноду 2 испарителя. Синхронно с ускоряющим напряжением к извлекающему электроду 7 подается импульс напряжения отрицательной полярности от источника 21. Пространство 19 заполнено жидким изолятором, например трансформаторным маслом, так как на узлы конструкции источника подаются высоковольтные импульсы ускоряющего напряжения.

Устройство работает следующим образом.

Вакуумную камеру напыления 10 откачивают до давления не хуже 103 Па. С источника поджига дуги 9 подают импульс напряжения через развязывающий трансформатор между катодом 1 и поджигающим электродом 3. В течение действия импульса нанесенная на изолятор 4 проводящая пленка испаряется и ионизируется. Между катодом 1 и поджигающим электродом 3 формируется импульсный дуговой разряд с катодным пятном на боковой поверхности катода 1. Плазма разряда, распространяясь в направлении, перпендикулярном поверхности катода 1, достигает анода 2. При достижении плазмой анода 2 между катодом 1 и анодом 2 формируется основной дуговой разряд. Питание разряда осуществляется источником постоянного напряжения 11. Протекание тока в электрической цепи источника 11 приводит к появлению тока в катушках 5, запитанных от того же источника через зазор катода 1, анода 2. Появление тока в катушках 5 вызывает появление магнитного поля между катодом 1 и анодом 2. В скрещенных электрическом и магнитном полях, существующих между катодом 1 и анодом 2, катодное пятно перемещается на торцевую поверхность катода 1. Формирующаяся плазма с торцевой поверхности катода распространяется в направлении торца анода 2 и соответственно в направлении системы очистки 6 плазменного потока от микрокапельной фракции и нейтральной компоненты плазмы. Так как прямой пролет через жалюзную систему 6 перекрыт электродами, то нейтральные компоненты плазмы и микрокапли осаждаются на жалюзных электродах. Жалюзная система 6 благодаря источнику постоянного напряжения 23 и наличию вблизи жалюзных электродов продольного магнитного поля имеет положительный относительно анода 2 потенциал. Положительные заряженные частицы плазмы отражаются от электродов жалюзной системы 6 и, следовательно, проходят в ускоряющее пространство между электродами 6 и 7. Небольшое количество микрокапель, отразившихся от жалюзей фильтра, улавливается дополнительным улавливателем микрочатиц 12. Он расположен между электродами 8 и обрабатываемым изделием и представляет собой трубку с системой ребер на внутренней поверхности. Плазменный поток формируется источником в непрерывном режиме и, проходя через систему электродов 6, 22, 7, 8, осаждается на образец 14. При подаче высоковольтного импульсного напряжения положительной полярности длительностью t от источника 20 на экраны 15 и 16 и, соответственно, анод 2 и электрод 22, в зазоре между электродами 22 и 7 возникает ускоряющая ионы разность потенциалов. Ионы из источника, проходя ускоряющий зазор, приобретают энергию Ei = ZeU, (где Z - зарядность иона, e - заряд электрона, U - разность потенциалов системы ускорения) и через электрод 8 поступают в вакуумную камеру напыления 10 и затем транспортируется до образца 14 и имплантируются в него. Для отсечки плазменных электронов в области транспортировки ионного пучка от ускоряющего зазора на электрод 7 относительно заземленного электрода 8 от источника питания 21 подают импульс напряжения отрицательной полярности. Длительность импульса отсечки плазменных электронов устанавливают равной или большей длительности импульса ускоряющего напряжения. Импульсы ускоряющего напряжения и напряжения отсечки плазменных электронов синхронизированы во времени. При выключенных источниках питания 20 и 21 на образец поступает очищенный от микрокапельной фракции непрерывный плазменный поток. При включении источников питания 20 и 21 образец облучается в течение импульса ускоряющего напряжения потоком ускоренных ионов. Соотношение потоков плазмы и ускоренных ионов на образец регулируют как за счет изменения частоты следования и длительности импульсов ускоряющего напряжения, так и за счет изменения расстояния от электродной системы 8 до образца 14. Во втором случае соотношение потока осажденных на образце ионов из плазмы и потока имплантируемых ионов изменяется из-за различных законов распространения плазмы и потока ускоренных ионов. Расширение ионного пучка зависит от системы электродов 7 и 8 и может быть незначительным. Свободное расширение плазмы сопровождается значительным уменьшением ее концентрации. Устройство, реализующее этот способ, обладает значительно большим ресурсом работы, чем устройство-прототип. Ресурс работы всего устройства зависит от ресурса узла поджига дугового разряда, который в предлагаемый способе и устройстве работает только в первый момент включения устройства, затем дуга горит непрерывно и из плазмы дуги периодически ускоряются ионы.

Формула изобретения

1. Способ импульсно-периодической ионной и плазменной обработки изделия, включающий генерацию плазмы, импульсное ускорение из нее ионов, многократное и поочередное облучение образца ускоренными ионами и плазмой с регулированием соотношения доз его облучения ускоренными ионами и плазмой, отличающийся тем, что генерацию плазмы осуществляют непрерывно, а соотношение доз облучения ускоренными ионами и плазмой регулируют за счет изменения частоты следования, длительности импульсов ускоряющего напряжения и изменением расстояния от источника до изделия.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее вакуумно-дуговой испаритель, выполненный в виде размещенных в вакуумной камере коаксиальных и подключенных к источнику питания дуги наружного анода и внутреннего катода, снабженного узлом поджига дуги, и импульсную систему ускорения ионов из плазмы испарителя, отличающееся тем, что испаритель выполнен с постоянным источником питания дуги для осуществления непрерывной генерации плазмы и снабжен средством для стабилизации горения непрерывной дуги и устройством очистки плазмы от микрокапельной фракции.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средство для стабилизации горения непрерывной дуги выполнено в виде расположенных на аноде магнитных катушек с наружным экраном из магнитного материала, через обмотки которых к аноду подключен постоянный источник питания дуги, причем экран электрически соединен с анодом.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что устройство очистки плазмы от микрокапельной фракции расположено у открытого торца анода и имеет жалюзную систему электродов, выполненных в виде коаксиальных усеченных полых конусов, причем угол конусности выбран так, что форма каждого из электродов близка к форме силовых линий магнитного поля в месте расположения электрода, а жалюзная система электродов подключена к положительному выводу дополнительного источника напряжения, второй вывод которого подключен к аноду вакуумно-дугового испарителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1