Раздел 2
Экспериментальное оборудование и методика
исследований
Вакуумно-дуговой метод синтеза аморфного (алмазоподобного) углерода АПП
позволяет формировать плёнки этого уникального материала с наиболее высокими
физико-механическими характеристиками. По мере расширения областей
практического применения этого метода всё более актуальными становятся вопросы
производительности технологического оборудования, очистки плазмы от МЧ, а также
проблема надёжности и долговечности плазменного источника как основного
инструмента для осуществления технологического процесса синтеза этого
материала. Разработке и исследованию отдельных элементов источника плазмы, а
также изложению используемых методик эксперимента посвящена данная глава.
2.1. Вакуумно-дуговые источники плазмы
Использовалось два типа источников плазмы: с автостабилизацией катодного пятна
и магнитным удержанием катодного пятна. Схема экспериментального источника
плазмы с автостабилизацией катодного пятна представлена на рис. 2.1а. Сменный
водоохлаждаемый катод (1) имел форму цилиндра диаметром 60 мм и высотой
Рис. 2.1 Схема источников плазмы с автостабилизацией (а) и магнитной
стабилизацией (б) катодного пятна; конфигурация магнитного поля при согласном
включении (в) и встречном включении стабилизирующей катушки и анодных катушек
(г).
расходуемой части 20-60 мм. Рабочей (эродирующей) поверхностью (2) служил
торец, обращённый к аноду (3). Изменение величины и конфигурации магнитного
поля на торцевой поверхности катода, при фиксированном магнитном поле,
создаваемом внутри анода, осуществлялось изменением токов в стабилизирующей и
дополнительной магнитных катушках, соответственно.
Поджиг дуги осуществлялся поджигающим устройством, описанным в работе
[149,150]. Поджигающий электрод (8) здесь расположен у торца катода и образует
искровой плазменный инжектор в паре со вспомогательным анодом (9). На этом
электроде устанавливалось съемное кольцо из стали (10). Будучи ферромагнитным,
это кольцо являлось концентратором магнитного поля в области наружной кромки
катодного торца. В целом катодный узел со схемой поджига соответствовали
системе описанной в работе [151,152].
Схема источника плазмы с магнитной стабилизацией катодного пятна дуги,
описанное ранее в работах [153,154], приведено на рис. 2.1б. Катод 1 источника
имел форму усечённого конуса. Диаметр бульшего водоохлаждаемого основания
составлял 60 мм. Угол конусности равнялся 15о. Источник с магнитной
стабилизацией катодного пятна дуги отличается от источника с автостабилизацией
катодного пятна конической формой катода, более мощной стабилизирующей
магнитной катушкой (магнитное поле в области торца катода в 5…7 раз больше),
местом расположения дополнительного анода относительно торцевой поверхности
катода и местом возбуждения катодного пятна дуги (см рис. 2.1а,б). Кроме того,
для увеличения стабильности горения дуги при согласном включении анодных
катушек 7 внутри анода размещалась анодная вставка 13.
Одной из особенностей горения дуги на графитовом катоде низкая скорость
перемещения катодного пятна по графиту существенно (на 2-3 порядка величины)
ниже, чем по металлу; средне - статистическое время существования КП (от
момента инициации до спонтанного «погасания») сильно зависит от марки графита
(его плотности, структуры, пористости и др.) и при прочих равных условиях ниже,
чем для металлов. На практике это проявляется в сильно неравномерной эрозии
рабочей поверхности катода, что в свою очередь ведёт к непредсказуемым
изменениям параметров плазменного потока, поступающего на подложку, к повышению
частоты погасания дуги, к потере работоспособности прибора из-за расплавления
частей источника плазмы соприкасающихся с плазменным потоком при
кратковременной остановке КП.
Нами проведена модернизация источников плазмы, заключающаяся в экранировке
дополнительного анода и экранирующего корпуса экранами, выполненными из
графита. Это позволяет избежать разрушения (расплавления) дополнительного
анода, элементов поджига и экранирующего корпуса, когда катодное пятно по
каким-то причинам находится на боковой поверхности катода (во время поджига или
при его перемещении во время хаотического движения КП) и предотвратить эрозию
торцевой поверхности дополнительного анода в случае образования проводящих
мостиков между катодом и дополнительным анодом в процессе эксплуатации
источника плазмы. Экранировка дополнительного анода графитом позволяет
полностью предотвратить загрязнение конденсата металлическими примесями.
2.1.1. Влияние магнитного поля на форму эродирующей поверхности графитового
катода
В настоящем разделе исследовалось влияние магнитного поля на форму эродирующей
поверхности графитового катода, в зависимости от давления рабочего газа и тока
дуги.
Наблюдение за движением КП осуществлялось визуально через смотровое окно в
камере экспериментальной установки при снятом коллекторе 12 (рис. 2.1а).
Стабильность горения дуги определялась как число её погасаний (n) в единицу
времени (час-1), а вероятность поджига – как отношение числа актов зажигания
дуги к числу всех поджигающих импульсов, поступивших в единицу времени на
электрод 8 (рис. 2.1а).
На предварительной стадии экспериментов использовались катоды из модельного
материала – титана. Это делалось с целью упрощения процедуры выбора оптимальных
условий, обеспечивающих сохранение плоской формы рабочей поверхности катода по
мере его «выгорания».
2.1.1.1. Эксперименты с Ті катодом
Все эксперименты проводились при встречном включении секций анодных катушек
(рис. 2.1г). В присутствие концентратора 10 п
- Київ+380960830922