Оборудование и методы импульсно-периодической ионной и плазменной обработки материалов

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВЕДЕНИЕ............................................................. 6
ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ И ТЕ! ІДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 21 В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ И МЕТОДОВ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ИОННОЙ И ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РАЗРЯДА.........................................
1.1. Состав и параметры плазмы.............................. 22
1.2. Источники плазмы на основе вакуумно-дугового разряда... 29
1.3. Способы и устройства очистки плазмы вакуумно-дугового разряда
от микрокапельиой фракции................................ 32
1.4. Формирование ионных пучков в источниках на основе испарения металла вакуумной дугой..................................... 39
1.5. Формирование ионных потоков из плазмы вакуумной дуги в условиях эрозии эмиссионой границы.......................... 45
1.6. Методы ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов с использованием источников на основе вакуумнодугового разряда............................................ 48
Выводы................................................... 56
ГЛАВА 2 ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ....................... 58
2.1. Оборудование и методики экспериментальных исследований параметров плазмы и ионных пучков............................ 59
2.2. Разработка плазменно-иммерсионного времяпролетного спектрометра для исследования зарядового состояния и массового состава плазмы..................................... 67
2.3. Измерительно-диагностический комплекс для исследования элементного состава и физико-механических свойств покрытий
и ионно-модифицированных поверхностных слоев материалов 81 Выводы................................................... 96
з
ГЛАВА З УСТРОЙСТВА ОЧИСТКИ ПЛАЗМЫ ВАКУУМНО-
ДУГОВОГО РАЗРЯДА ОТ МИКРОКАПЕЛЪНОЙ ФРАКЦИИ 98
З . 1. Принцип работы фильтра жалюзийного типа для очистки
плазмы ВДР от МКФ....................................... 99
3.1.1. Влияние геометрических параметров и пространственного расположения электродов ПФ на условия распространения плазменного потока............................................ 101
3.1.2. Влияние приэлектродного падения напряжения на условия распространения плазменного потока.................. 104
3.2. Плоскоїіараллельиые системы жалюзийного типа для очистки плазмы ВДР от МКФ........................................... 117
3.3. Аксиально-симметричные системы жалюзийного типа для очистки плазмы ВДР от МКФ................................... 123
3.3.1. Влияние давления на распространение плазменного потока в межэлектродных промежутках аксиально-симметричной
системы жалюзийного типа................................ 130
3.3.2. Влияние аксиально-симметричных электродов ПФ на снижение МКФ в плазме вакуумно-дугового разряда........................ 132
3.4. Электромагнитные ПФ жалюзийного типа для технологических применений................................................... 137
Выводы.................................................. 144
ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ ИОНОВ
НА ОСНОВЕ НЕПРЕРЫВНОЙ ВАКУ УМНОЙ ДУГИ................... 147
4.1. Конструкция и принцип действия источника ионов и плазмы "Радуга-5"................................................... 149
4.2. Конструкция и принцип действия источника псевдолснточных пучков ионов металлов "Радуга-6"............................. 157
4.3. Диодные системы источников ионов на основе плазмы непрерывного ВДР................................... 164
4.4. Формирование очищенного от МКФ плазменного потока 169
4
4.5. Импульсно-периодический режим формирования ионного пучка 176
4.6. Непрерывный режим формирования ионного пучка........ 193
Выводы............................................... 196
ГЛАВА 5 МЕТОД КОРОТКОИМПУЛЬСНОЙ, ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ
ПЛАЗМЕННО-ИММЕРСИОННОЙ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ И (ИЛИ) ОСАЖДЕНИЯ ПОКРЫТИЙ.................. 198
5.1. Физическая модель....................................... 200
5.2. Формирование ионных потоков вблизи проводящих поверхностей при коротких импульсах потенциала смещения 209
5.3. Формирование ионных потоков вблизи диэлектрических поверхностей при коротких импульсах потенциала смещения 222
5.4. Применение биполярных потенциалов смещения.............. 226
5.5. Применение метода КВПИ3ОП при высоких концентрациях плазмы.................................................... 229
Выводы................................................... 235
ГЛАВА 6 ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ РЕАЛИЗАЦИИ
КОМБИНИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ И ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ МОДИФИКАЦИИ МАТЕРИАЛОВ 237
6.1. Установка импульсно-периодической ионной имплантации и осаждения покрытий “Радуга-5С“ и её технологические применения................................................ 239
6.2. Комплексная установка для реализации комбинированных технологий ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов и её применения................................ 252
6.3. Комплексная система реализации гибридных технологий ионно-плазменной обработки крупногабаритных изделий 278
Выводы................................................... 293
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................ 297
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................. 303
ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................ 340
5
Список используемых сокращений
АСУ ТП Автоматизированная система управления технологическим процессом
АЭС Атомно-эмиссионная спектрометрия
ВАХ Вольтамперная характеристика
ВДР Вакуумно-дуговой разряд
ВКИИ Высококонцептрационная ионная имплантация
ГТД Газотурбинные двигатели
ИИ Ионная имплантация
ИПД Источник питания дуги
КВПИ301Г Короткоимпульсная высокочастотная плазменно-иммерсионная ионная имплантация и (или) осаж/іение покрытий КСРГТ Комплексная система реализации гибридных технологий
КУ Комплексная установка
МКФ Микрокапельная фракция
MPC Магнетронная распылительная система
ПФ Плазменный фильтр
П3Н Положительное приэлектродное падение напряжения
ПИ3 Плазменно-иммерсионная ионная имплантация
ОЭС Оже-электронная спектрометрия
ТД Труба дрейфа
XX Напряжение холостого хода
ЦИСМ Центр Исследования свойств материалов
ЦФ Цилиндр Фарадея
ЭДИ Электродуговой испаритель
6
ВВЕДЕНИЕ
Модификация поверхностных слоев материалов пучками заряженных частиц и потоками плазмы активно исследуется в последние десятилетия и представляет собой одно из важнейших направлений развития науки и техники. Существенно расширяется область использования ионно-лучевых и ионноплазменных методов, как в научных исследованиях, так и в ряде практических применений [2-7].
Среди способов поверхностной модификации материалов широкое распространение получил метод плазменного осаждения покрытий на основе непрерывной вакуумной дуги. С целью решения проблемы ухудшения свойств формируемых покрытий из-за микрокапельной фракции в потоке вакуумнодуговой плазмы, разработан целый ряд модификаций плазменных фильтров, обеспечивающих высокую эффективность очистки плазмы от микрочастиц, но представляющих собой достаточно сложные конструкции, обладающие ограниченной эффективностью прохождения плазмы и в силу этого, не получивших широкого распространения до настоящего времени [4, 38, 60-68, 70, 75]. Такие плазменные фильтры практически не представляется возможным использовать в системах формирования пучков ионов металлов на основе непрерывной вакуумной дуг и.
Существенное развитие в последние годы получил метод плазменноиммерсионной ионной имплантации. Наиболее часто он используется для ионного азотирования поверхностных слоев различных металлов. В абсолютном большинстве случаев плазменно-иммерсионная имплантация осуществляется при постоянных или импульсных 0,1-10 мс потенциалах смещения на мишени, погруженной в плазму. В ряде работ показана возможность и перспективность использования не только газовой, но и импульсной металлической плазмы в условиях применения достаточно короткоимпульсных потенциалов смещения.
Преимущества плазменно-иммерсионного метода ионной имплантации и (или) осаждения покрытий в условиях ионного ассистирования обусловлены возможностью однородной обработки деталей сложной формы, простотой технической реализации [129]. В то же время плазменно-иммерсионная ионная имплантация практически не используется для модификации свойств диэлектриков, например, для изменения их поверхностной проводимости, поскольку при длинных или постоянных потенциалах смещения в диэлектриках накапливается значительный заряд и, как следствие, вблизи его поверхности происходит торможение ионов или возникает поверхностный пробой, разрушающий структуру материала. Большая длительность потенциала смещения ограничивает и возможность применения традиционных подходов к плазменно-иммерсионному формированию ионного потока при высоких концентрациях плазмы, например, в случае абляционной плазмы, формируемой воздействием мощных электронных, ионных пучков или лазерного излучения на поверхность твердого тела.
Развитие методов и технологий ионно-лучевой модификации металлов и сплавов и их пракгическое использование определяется, прежде всего, разработкой: конструктивно простых, высокопроизводительных, с большим ресурсом работы ионных источников, в том числе легко встраиваемых в системы ионно-плазменного осаждения покрытий. В большинстве случае для получения пучков ионов металлов используется плазма импульсно-периодического вакуумно-дугового разряда [7-17]. В виду значительной доли микрокапельной фракции в плазме непрерывной вакуумной дуги, несмотря на её привлекательность с точки зрения создания ионных пучков высокой средней мощности, такие источники не получили своего развития, также как источники ионов металлов ленточного типа для модификации поверхности протяженных деталей.
В связи с вышеизложенным, тематика диссертационной работы, связанная с созданием и исследованием компактных фильтров для очистки плазмы непрерывной вакуумной дуги от микрокапельной фракции, разработкой метода короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной
8
имплантации и (или) осаждения покрытий, с возможностью обработки диэлектриков, и импульсно-периодических и непрерывных источников ионов металлов аксиально-симметричных и ленточных пучков, как и новых систем диагностики плазмы, а также созданием на основе предложенных методов и оборудования комплексных установок нового поколения для ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов представляется актуальной.
Цель работы состояла в проведении исследований процессов генерации ионных потоков с использованием короткоимнульсных высокочастотных потенциалов смещения и многоэлсктродных систем формирования пучков из плазмы газового разряда и непрерывного вакуумно-дугового разряда в условиях её очистки от микрокапельиой фракции и создании на основе полученных результатов новых методов плазменно-иммерсионной ионной имплантации и (или) осаждения покрытий, а также в разработке методов и оборудования для диагностики элементного состава и зарядового состояния ионов в плазме, в разработке ионных источников и систем очистки плазмы непрерывного вакуумнодугового разряда от микрокапельиой фракции, в создании серии установок для реализации комбинированных технологий ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что впервые:
1. Предложены и разработаны прямоточные фильтры с аксиально-симметричными и плоскими электродами жалюзийного типа для очистки плазмы непрерывной вакуумной дуги от микрокапельиой фракции, обеспечивающие эффективность прохождения плазмы в пределах от 30 до 70 % при уменьшении количества микрочастиц в потоке плазмы в 102—103 раз. Определены основные закономерности влияния геометрических размеров и конфигурации электродов фильтра, магнитной изоляции электродов, величины положительного потенциала смещения на электродах, давления остаточного газа на параметры плазменного потока на выходе фильтра.
2. Предложены способы и устройство для измерения зарядового состояния и массового состава газовой и металлической плазмы на основе
9
короткоимпульсного плазменно-иммерсионного извлечения ионов из плазмы, их транспортировки в эквипотенциальном пространстве трубы дрейфа с разделением на отдельные компоненты и последующей регистрацией импульсов тока. Определены основные закономерности влияния геометрических размеров трубы дрейфа, амплитуды и длительности потенциала смещения, давления газа, характеристик системы регистрации токовых импульсов на разрешающую способность спектрометра.
3. Предложен и разработан метод короткоимпульсной высокочастотной, с коэффициентом заполнения импульсов от 0,1 до 0,99, плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки проводящих и диэлектрических материалов в условиях компенсации накапливаемого на поверхности мишени положительного заряда в паузах между импульсами потенциала смещения электронным потоком из плазмы. Показана возможность использования метода для реализации широкого круга режимов ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов, в том числе: нагрев образцов, очистка и активация поверхности, ионная имплантация, включая высококонцентрационную, формирование переходного СЛОЯ между ОСНОВОЙ и покрытием, осаждение покрытий С ИОННЫМ; ассистированием на материалы с различной проводимостью.
4. Показана возможность формирования импульсно-периодических и непрерывных аксиально-симметричных и псевдоленточных пучков ионов металлов из плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда в условиях фильтрации плазмы от микрокапельной фракции.
5. С использованием разработанных ионных источников, фильтрованной от микрочастиц вакуумно-дуговой плазмы и метода короткоимпульсной плазменно-иммерсионной ионной имплантации и (или) осаждения покрытий показаны: а) возможность формирования интерметаллидных систем А1—>N1, А1—*П, И—>N1, А1—*Ре на глубине до 2,6 мкм с достижением концентрации легирующей примеси до 60 % при дозе внедренных атомов 3,6-1018 ион/см2; б) возможность формирования многослойных ('ПА1)/'ПЫ покрытий с наноразмерными слоями, обеспечивающих значительное увеличение физико-
10
механических и эксплуатационных свойств материалов; в) возможность формирования композиционного покрытия Т^В с толщиной до 10 мкм, обеспечивающего повышение до 4 раз эрозионной стойкости образцов из сплава ВТ6, существенное повышение усталостной прочности при циклическом нагружении и до 20 раз сопротивления солевой коррозии.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что:
1. Разработана серия прямоточных электромагнитных плазменных фильтров с аксиально-симметричными и плоскими электродами жалюзийного типа, обеспечивающих высокую эффективность прохождения заряженного компонента плазменного потока и высокую степень очистки вакуумно-дуговой плазмы от микрокапельной фракции. Компактная конструкция позволяет использовать плазменные фильтры как в технологических электродуговых испарителях, так и в ускорителях ионов металлов.
2. Полученные зависимости энергетического спектра ионов, динамики формирования ускоряющего зазора от амплитуды импульса отрицательного потенциала смещения, его длительности и частоты следования, параметров плазмы и характеристик мишени существенно расширяют и дополняют преставление о физических процессах плазменно-иммерсионного формирования потоков ионов и позволяют сформулировать условия реализации технологических процессов модификации поверхности проводящих и диэлектрических материалов.
3. Предложенный и разработанный плазменно-иммерсионный времяпролетный спектрометр отличается простой и компактной конструкцией, обеспечивает измерение с высоким разрешением зарядового состояния и массового состава газовой и металлической плазмы и может быть использован для диагностики параметров плазмы в составе установок ионно-плазменного нанесения покрытий при проведении экспериментальных исследований и отработке технологий ионно-плазменной модификации материалов.
4. Предложенный и разработанный метод короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной имплантации и (или) осаждения покрытий позволяет реализовать режимы традиционной и
11
высококонцентрационной ионной имплантации, а также ионно-ассистированного осаждения покрытий на проводящие и диэлектрические мишени в широком диапазоне изменения концентрации плазмы.
5. Разработаны источники импульсно-периодических и непрерывных аксиально-симметричных и исевдоленточных пучков ионов металлов из плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда в условиях фильтрации плазмы от микрокапельной фракции, отличающиеся от известных устройств высокими техническими параметрами, надежностью, большим ресурсом работы и широкими функциональными возможностями. Источники предназначены для применения в технологиях ионной имплантации и ионно-ассистированного осаждения покрытий.
6. На основе разработанных ионных источников, фильтров для очистки плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда от микрокапельной фракции и метода короткоимпульсной плазменно-иммерсионной ионной имплантации и (или) осаждения покрытий, создана серия технологических комплексных установок нового поколения для реализации комбинированных технологий ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов.
7. Разработаны технологические режимы формирования
интерметаллидных систем А1-М1, АЬ-Тц Т1—М, А1-Ре с высокой концентрацией легирующей примеси, на глубине существенно превышающей проективные пробеги ионов; многослойных (Т1А1)/*ПИ покрытий с наноразмерными слоями; композиционного таНЗ покрытия с обеспечением значительного увеличения физико-механических и эксплуатационных свойств материалов.
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения.
Во введении обосновываются актуальность, цель, научная новизна и практическая значимость работы. Излагается краткое содержание диссертационной работы, и формулируются выносимые на защиту научные положения.
В первой главе проведен анализ современного состояния исследований и тенденций развития в области разработки оборудования и методов ионнолучевой и плазменной обработки материалов на основе плазмы вакуумно-
дугового разряда. Рассмотрены конструктивные особенности вакуумнодуговых генераторов плазмы и концептуальные подходы применения плазмы вакуумной дуги при разработке источников ионов проводящих материалов. Особое внимание уделено работам посвященным исследованию характеристик распространяющейся в потоке вакуумно-дуговой плазмы микрокапельной фракции, способам и устройствам очистки плазмы от микрочастиц.
Выполнен обзор теоретических и экспериментальных исследований, а также основных моделей процессов формирования и релаксации ускоряющего промежутка у поверхности потенциального электрода, погруженного в плазму.
На основе проведенного анализа показано, что к началу выполнения исследований по теме диссертационной работы в различных лабораториях мира предложено и разработано большое количество вариантов генераторов плазмы, в том числе с очисткой плазмы от МКФ. Предложены и реализованы методы формирования пучков ускоренных ионов из плазмы ВДР с использованием диодных систем и на основе плазменно-иммерсионного подхода-. Разработанные генераторы плазмы и источники ионов обеспечивают реализацию широкого круга режимов ионно-лучевой и ионно-плазменной-модификации материалов, включая различные методы ИИ, осаждения покрытий, а также сочетающие режимы совместного воздействия на поверхность потока плазмы и ионов различной энергии.
В то же время интенсивное развитие методов ионно-лучевой и ионноплазменной обработки различных материалов предопределило необходимость решения следующих задач:
1. Разработка простых, надежных в эксплуатации, эффективных систем очистки плазмы ВДР от МКФ, которые могли бы использоваться как в составе генераторов плазмы, так и в ионных источниках.
2. Разработка и исследование источников ускоренных ионов и плазмы на основе генерации плазмы непрерывным ВДР с возможностью изменения среднего тока ионного пучка в широких пределах, обеспечивающих
13
высокопроизводительную обработку материалов, отличающихся надежностью и большим ресурсом работы.
3. Разработка и исследование метода и оборудования плазменноиммерсионного формирования ионного потока, обеспечивающих реализацию режимов комбинированной ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов с различной проводимостью.
4. Разработка оборудования для исследования зарядового состояния и массового состава низкотемпературной плазмы.
5. Выполнение научно-организационных мероприятий для организации комплексного исследования физико-механических свойств поверхностных и приповерхностных слоев материалов, подвергнутых воздействию потока плазмы и ионных пучков.
6. Разработка технологического оборудования для реализации комбинированных режимов ионно-лучевой и ионно-плазменной модификации материалов.
Вторая глава посвящена адаптации традиционных и разработке новых экспериментальных методик и оборудования для диагностики параметров плазмы, ионных пучков и комплексного изучения физико-механических свойств модифицированных слоев материалов и покрытий, применительно к рассматриваемым в работе комбинированным режимам воздействия на поверхность одно- и многокомпонентной газометаллической плазмы и пучков ионов в широком энергетическом диапазоне. Большое внимание уделяется разработке экспериментального оборудования применительно к зондовым, коллекторным и калориметрическим методам измерения локальных и интегральных характеристик ионных пучков большого поперечного сечения и плазмы, в том числе распространяющейся в магнитном поле.
Предлагаются способы и устройство для измерения зарядового состояния и массового состава газовой и металлической плазмы на основе короткоимпульсного плазменно-иммерсионного извлечения ионов из плазмы, их транспортировки в эквипотенциальном пространстве трубы дрейфа с разделением на отдельные компоненты и последующей регистрацией импульсов тока.
14
Обсуждаются вопросы влияния геометрических параметров трубы дрейфа, конфигурации и структуры сеточного электрода на её входе, давления газа в области транспортировки ионного потока, амплитуда и длительности потенциала смещения на разрешающую способность плазменно-эмиссионного спектрометра. Приводятся результаты измерения зарядового состояния и массового состава различной газометаллической плазмы.
Рассматривается способ повышения разрешающей способности спектрометра, основанный на вычитании осциллограмм импульсов ионного тока, полученных при различной длительности импульсов напряжения смещения. Отмечается, что метод вычитания импульсов различной длительности позволяет провести детальное исследование энергетического спектра ионов и восстановить первоначальный спектр на входе в трубу дрейфа, поскольку снимается вопрос о моменте пересечения ионами потенциальной сетки ускоряющего промежутка.
Обосновывается необходимость проведения комплексных исследований свойств материалов и установления взаимосвязи их изменения от совокупности условий и режимов ионио-лучевого и ионно-плазменного воздействия при отработке технологий модификации свойств материалов. Представлен комплекс современного аналитического оборудования и рассмотрены методы исследования, обеспечивающие высокую достоверность измерения элементного состава и физико-механических характеристик ионно-модифицированных материалов и покрытий, включая морфологию поверхности, толщину покрытий, твердость и модуль упругости, адгезионную прочность, трибологические характеристики. Определяются условия и области применимости оборудования и методик исследования.
В третьей главе приведены результаты исследований основных закономерностей формирования очищенных от микрокапельной фракции потоков вакуумно-дуговой плазмы в оптически непрозрачных системах жалюзийного типа. Рассмотрены концептуальные подходы к созданию фильтров, основанных на распространении плазмы в пространстве, образованном плоскопараллельными и аксиально-симметричными
электродами, расположенными под углом к оси дугового испарителя. Представлены различные конструкции плазменных фильтров и определены условия, обеспечивающие эффективность прохождения плазмы в пределах от 30 до 70 % при уменьшении количества микрочастиц в потоке плазмы в 102-103 раз. Определены основные закономерности влияния геометрических размеров и конфигурации электродов фильтра, условий магнитной изоляции электродов, величины положительного потенциала смещения на электродах, давления остаточного газа на параметры плазменного потока на выходе фильтра. Обсуждаются возможности повышения степени очистки плазмы вакуумнодуговой плазмы от МКФ в системах жалюзийного типа. Рассматриваются перспективы применения ПФ в технологических установках, реализующих методы ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов.
Четвертая глава посвящена разработке и исследованию импульснопериодических и непрерывных аксиально-симметричных и псевдоленточных пучков ионов металлов из плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда в условиях фильтрации плазмы от микрокапельной фракции.
Приведены результаты моделирования и экспериментальных исследований основных закономерностей формирования и распространения ионного пучка при наличии в диодной системе источника плазменного фильтра жалюзийного типа. Рассматривается влияние амплитуды ускоряющего напряжения и конфигурации электродов плазменного фильтра на величину и распределение плотности ионного тока на выходе источника.
Приводятся различные конструкции диодных систем, обеспечивающих стабильную работу источника в диапазоне изменения давления в вакуумном объеме от 510'2 Па для иуск = 40 кВ до 10'1 Па для иуск = 20 кВ в условиях осаждения пленок и повышенных тепловых нагрузок.
Описываются конструкции ионных источников для формирования аксиально-симметричных и псевдоленточных пучков ионов металлов на основе непрерывной вакуумной дуги. Показывается, что источники, использующие в качестве эмиссионной среды фильтрованную от микрокапельной фракции
16
плазму непрерывного вакуумно-дугового разряда обеспечивают получение аксиально-симметричных и псевдо ленточных пучков ионов металлов с энергией до 160 кэВ как в непрерывном, с током до 200 мА, так и в импульснопериодическом режимах, с током до 2 А, при длительности 400 мкс и частоте следования импульсов ускоряющего напряжения до 200 имп/с. Рассмотрены условия эффективного варьирования интенсивностью и последовательностью ионного и плазменного воздействия на мишень при изменении тока разряда, амплитуды и скважности импульсов ускоряющего напряжения, конструкции и режимов работы ПФ, расстояния от источника до мишени.
В пятой главе описывается физическая модель процессов формирования ускоряющего промежутка в быстро изменяющихся электрических полях вблизи поверхности, погруженного в плазму, потенциального электрода. В отличие от существующих моделей рассматривается случай, когда мишень погружена в направленный поток плазмы вакуумной дуги. Рассматриваются особенности процессов для проводящих и для диэлектрических мишеней. Анализируется влияние длительности, амплитуды и частоты следования импульсов ускоряющего напряжения, а также параметров плазмы и характеристик мишени на динамику изменения потенциала на поверхности проводящих и диэлектрических мишеней и формирования ионного потока. Уделено внимание вопросу установления времени стабилизации ионно-эмиссионной границы плазмы, определяющего начало формирования ионного потока с максимальной энергией ионов. Определены требования к длительности переднего фронта и максимальной частоте следования импульсов напряжения смещения при обработке диэлектрических мишеней.
Описан метод короткоимпульсной высокочастотной, с коэффициентом заполнения импульсов от 0,1 до 0,99, плазменно-иммерсионной ионной и плазменной обработки проводящих и диэлектрических материалов в условиях компенсации накапливаемого на поверхности мишени положительного заряда в паузах между импульсами потенциала смещения электронным потоком из плазмы. Экспериментально исследована возможность использования
17
биполярного синусоидального потенциала смещения для реализации плазменно-иммерсионного подхода применительно к плазме вакуумно-дугового разряда. Определена область применимости метода для материалов с различной проводимостью при концентрации плазмы от 108 до 1014 см'3.
Шестая глава посвящена созданию современных технологических комплексов для реализации широкого круга комбинированных технологий на основе предложенных в работе методов ионно-лучевой и ионно-плазменной обработки материалов и оборудования по генерации очищенной от микрокапельной фракции плазмы вакуумно-дугового разряда и источников ионов проводящих материалов. Определены технологические возможности и области применимости оборудования.
Рассматриваются возможности реализации в едином технологическом процессе режимов нагрева образцов, очистки и активации поверхности, традиционной и высококонцентрационной, в том числе короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной имплантации ионов газов и проводящих материалов, формирования переходного слоя между основой и покрытием, осаждения покрытий с ионным ассистированием на материалы с различной проводимостью.
Приведены результаты практического применения оборудования с целью повышения физико-механических и эксплуатационных свойств обрабатываемых материалов на примере реализации комбинированных технологий: высокоинтенсивной и высококонцентрационной ионной
имплантации с формированием интерметаллидных систем А1—А1—>Тц Т1—А1—>Бе; осаждения композиционного покрытия; одно и
многослойных нитридных покрытий систем ПК, Т1А1К, ('ПА1)МЛП1\[. Представлены данные экспериментальных исследований по влиянию фильтрованной от микрокапельной фракции плазмы непрерывного вакуумнодугового разряда и короткоимпульсных высокочастотных потенциалов смещения на изменение элементного состава, морфологию поверхности,
18
толщину и периодичность формируемых отдельных слоев покрытий, трибологические характеристики, твердость и адгезионную прочностью.
В заключении кратно сформулированы основные результаты диссертационной работы. Приведены сведения об апробации результатов, полноте опубликования в научной печати, содержащихся в работе результатов и выводов, личном вкладе автора.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Многоэлектродный, прямоточный аксиально-симметричный и
плоскопараллельный плазменный фильтр жалюзийного типа с формированием вблизи электродов магнитного поля за счет пропускания по ним тока 300-1500 А и подачи на электроды положительного потенциала 10-20 В обеспечивает уменьшение количества микрокапель в потоке дуговой плазмы с широким
2 о
поперечным сечением в 10 -10' раз при 30—50 % эффективности прохождения заряженного компонента плазмы. Однощелевая оптически непрозрачная жашозийная система обеспечивает эффективность прохождения заряженного компонента плазменного потока до 70 %. Эффективность прохождения заряженного компонента плазмы непрерывного вакуумно-дугового- разряда в плазменных фильтрах жалюзийного типа определяется геометрическими параметрам электродов, их расположением относительно направления распространения плазменного потока, величиной приложенного к ним положительного потенциала, а также топографией и величиной создаваемого в области плазменног о фильтра магнитного поля.
2. Отрицательный потенциал наносекундной длительности, приложенный к эквипотенциальной трубе дрейфа, погруженной в плазму, обеспечивает формирование потока ионов вблизи мелкоструктурной сетки на её входе с динамически изменяющейся энергией ионов и эффективным пространственно-временным их разделением по зарядовым состояниям и массе з процессе транспортировки. Разрешающая способность плазменно-эмиссионного спектрометра определяется геометрическими параметрами трубы дрейфа, давлением газа в области транспортировки ионного потока, амплитудой и
19
длительностью потенциала смещения, конфигурацией и структурой сеточного электрода на входе трубы дрейфа. Улучшение разрешающей способности спектрометра обеспечивается за счет вычитания осциллограмм импульсов ионного тока, полученных при различной длительности импульсов напряжения смещения.
3. Приложение коротких по длительности (0,5-9 мкс) импульсов потенциала смещения к мишени, погруженной в плазму, с частотой от 100 до 440 кГц и коэффициентом заполнения импульсов от 0,1 до 0,9, обеспечивает реализацию режимов ионной имплантации и осаждения покрытий в условиях ионного ассистирования как с проводящими, так и диэлектрическими
О II л
мишенями при концентрации плазмы от 10 до 10 см' . Метод короткоимпульсной высокочастотной плазменно-иммерсионной ионной имплантации и (или) осаждения покрытий может быть реализован как с применением одно, так и биполярных потенциалов смещения. Измерение энергетического спектра ионов обеспечивает возможность определения времени стабилизации ионно-эмиссионной границы плазмы, определяющей начало формирования потока с максимальной энергией ионов. Для уменьшения требуемого максимального тока импульсного генератора передний фронт потенциала смещения по длительности должен быть соизмерим со временем стабилизации ионно-эмиссионной границы плазмы.
4. В случае применения диэлектрических мишеней, ускоряющее ионы напряжение определяется разностью приложенного потенциала смещения и потенциала на поверхности диэлектрика, динамически изменяющегося в зависимости от характеристик диэлектрика (толщина и диэлектрическая проницаемость), ионного тока, тока электронного смещения и тока вторичной ионно-электронной эмиссии. Для эффективного использования потенциала смещения его длительность не должна превышать время зарядки емкости, образованной в системе: плазма — диэлектрик — потенциальный электрод. Компенсация накапливаемого на поверхности диэлектрика положительного заряда осуществляется потоком электронов из плазмы в паузах между импульсами напряжения смещения.
20
5. Созданные на основе проведенных исследований источники, с использованием в качестве эмиссионной среды фильтрованной от микрокапельной фракции плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда, обеспечивают при ускоряющем напряжении до 40 кВ получение аксиальносимметричных и псевдоленточных пучков ионов металлов с длительностью от 400 мке до непрерывных, с током до 2 А в импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов до 200 имп/с и 200 мА в непрерывном режиме. Источники предназначены для применения в технологиях ионной имплантации и ионно-ассистированного осаждения покрытий.
6. На основе разработанных фильтров для очистки плазмы непрерывного вакуумно-дугового разряда от микрокапельной фракции, метода короткоимнульсной плазменно-иммерсионной ионной имплантации и (или) осаждения покрытий, источников ионов металлов созданы комплексные установки, позволяющие реализовать как традиционные технологии ионнолучевой и ионно-плазменной обработки материалов, так и новые технологии, такие как формирование: интерметаллидных систем А1—>М, А1—>Т1, Т1—>N1, А1—>Ре с толщиной слоя до 2,6 мкм с достижением концентрации легирующей примеси до 60 % при дозе внедренных атомов 3,6*1018 ион/см2; многослойных (Т1А1Н)/Т1Н покрытий с наноразмерными слоями; композиционного покрытия Т^В с толщиной до 10 мкм, обеспечивающие увеличение физикомеханических и эксплуатационных свойств материалов.
21
ГЛАВА 1
СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ И МЕТОДОВ ИМПУЛЬСНОПЕРИОДИЧЕСКОЙ ИОННОЙ И ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО РАЗРЯДА
В настоящее время вакуумная дуга считается одним из наиболее востребованных типов разрядов для генерации плазмы проводящих материалов. Первые упоминания об использовании плазмы вакуумно-дугового разряда (ВДР) для формирования покрытий относятся ко второй половине девятнадцатого века [1]. Со второй половины прошлого столетия физика плазмы вакуумной дуги не только сформировалась в самостоятельное научное направление, но и создала основу современной индустрии модификации свойств поверхности материалов с использованием технологий ионноплазменного осаждения различных функциональных покрытий [2-6].
Активные исследования дуговой плазмы стимулировали её применение в качестве эмиссионной среды для генерации потока ускоренных ионов проводящих материалов и газов. При этом сложилось два самостоятельных научных направления — формирование пучков с использованием извлекающих систем и ионных потоков вблизи потенциальной поверхности. На основе сильноточных ионных пучков и интенсивных ионных потоков разработаны многочисленные методы ионной имплантации, включая плазменноиммерсионную ионную имплантацию [7-17].
В настоящее время парк вакуумно-дуговых генераторов плазмы и разработанных на их основе ионных источников насчитывает несколько тысяч различных типов. С их использованием созданы сотни методов ионно-лучевой и ионно-плазменной модификации материалов. Такое разнообразие электрофизического оборудования обусловлено все возрастающими
22
требованиями к условиям обработки и свойствам современных высокотехнологичных материалов.
Цель представленной главы заключается в проведении краткого анализа результатов исследований в области создания оборудования и методов ионнолучевой и плазменной обработки материалов на основе ВДР и определении основных тенденций и задач развития данного научного направления.
1.1. Состав и параметры плазмы
Принцип работы вакуумно-дуговых источников основан на формировании плазмы в результате ионизации паров металла эродирующего в катодных пятнах ВДР [18-22]. Отличительная особенность ВДР связана с возможностью генерации плазмы любых проводящих материалов, включая металлы, сплавы, композиты, высоколегированные полупроводники. Степень ионизации плазмы во многом зависит от материала катода [23], и в случае легкоплавких металлов с высокой упругостью пара (2п, Сс1, РЬ) составляет ~20 %, достигая для металлов с низкой упругостью пара (М, А1, М°) уже - 50-100 %. Плазма характеризуется высоким зарядовым состоянием ионов, что является неоспоримым преимуществом данного типа разряда [24, 25]. Зарядовое состояние дуговой плазмы не является постоянной величиной и в значительной степени изменяется от режима функционирования ВДР. В качестве факторов влияющих на зарядовое состояние ионов в плазме отмечаются длительность, напряжение и ток разряда, магнитное поле, инжектируемый в плазму электронный пучок [26, 27].
Проведенный в [24] анализ энергетических спектров ионов в плазме показал, что с ростом разрядного тока наблюдается увеличение температуры ионов (7]) и снижение энергии их направленного движения (рис. 1.1). По мнению авторов работы, это связано с повышением степени хаотичности плазменного потока в прикатодной области дуги за счет столкновений. Число
23
столкновений пропорционально концентрации частиц и увеличивается с ростом тока дуги. В то же время, выполненные в [28] измерения температуры электронов (Г,.) показывают, что Тс слабо зависит от тока дуги и, например, для Мо плазмы составляет 1-3 эВ.
Разрядный ток влияет и на стабильность ВДР (рис. 1.2). Из представленных данных видно, что при малых токах разряда (от единиц до нескольких десятков ампер) среднее время стабильного горения составляет несколько сотен микросекунд. В данном случае плазма генерируется в катодных пятнах первого рода, которые характеризуются высокой скоростью перемещения и малым временем существования. Увеличение разрядного тока приводит к переходу катодных пятен первого рода в медленно перемещающиеся катодные пятна второго рода, что значительно повышает стабильность работы источников [29, 30].
Оценки концентрации заряженных частиц в непосредственной близости от катодного пятна характеризуются большим разбросом Ю,7-Ю20 см'3 [31-33]. В [34] показано, что снижение концентрации ионов в результате распространения плазменного потока обратно пропорционально квадрату расстояния от катода и может быть описано выражением:
М' У-г/оО
П{(Г,0=. 2 (1.1)
4тп1 икг ' 7
где М' = (1М/ск - скорость уноса массы с катода;у* - скорость расширения плазменного облака; г - радиус плазмы, т, - масса иона.
Скорость направленного распространения плазменного потока достигает 103-2*106 см/с. Это соответствует кинетической энергии иолов до 100 эВ, что существенно превышает падение напряжения на разряде [32, 24].
В [24] показано, что распределение концентрации ионов по сечению плазменного потока неоднородно и имеет максимум на оси системы перед плоскостью катода (рис. 1.3). Анизотропность распределения частиц при малых токах разряда соответствует косинусоидальному закону.
24
Рис.1.1 Изменение тепловой энергии ионов и энергии направленного движения в зависимости от тока ВДР
Рис. 1.2 Средняя продолжительность горения дуги в зависимости от разряда: 1 -висмут, 2 - цинк, 3 - серебро, 4 - медь, 5 - вольфрам, 6 - молибден
25
При токе ВДР более 100 А проявляется влияние собственного магнитного поля плазменной струи, наличие которого приводит к возникновению в плазме электрического поля. Направленная к оси плазменного факела векторная составляющая поля обуславливает фокусировку плазменного потока, вследствие чего диаграмма его направленности сужается.
Л/-101,1 см3
4
Рис.1.3. Распределение плотности плазмы на радиусе 300 мм в зависимости от тока ВДР: 1- 120,2 - 180, 3 - 220 А
Выполненные в [30-33] исследования продуктов эрозии катода показали, что массоперенос происходит в основном за счет генерации потоков ионов, нейтральных атомов (паровой фазы) и микрочастиц, в виде капель и твердых осколков материала катода. В большинстве случаев применения плазмы ВДР, микрокапельная фракция (МКФ) является отрицательным фактором. Покрытия, сформированные при наличии в плазменном потоке микрочастиц, характеризуются неоднородностью структуры, высокой пористостью и шероховатостью поверхности, низкой адгезионной прочностью [35]. МКФ ограничивает использование непрерывного ВДО* в источниках ускоренных ионов, вследствие загрязнения ионно-оптических систем, снижения электрической прочности диодной системы и нецелесообразности реализации режимов ионной имплантации [36, 37].
26
В [38] природа появления жидких частиц связывается с процессом разбрызгивания металла из локальных участков поверхности катода. Взрывной характер образования катодного пятна ведет к расплавлению окружающей поверхности и образованию облака плазмы. За счет давления ионного компонента плазмы, расплавленный слой катодного материала вытесняется на периферию, образуя кольцевой гребень. Под действием сил поверхностного натяжения и флуктуаций гребень распадается на отдельные стержни, в процессе вытягивания которых появляются микроострия и формируются капли. В [39] показано, что образование твердых осколков обусловлено возникновением в катоде термоупругих напряжений, превышающих предел прочности материала. Наличие твердых частиц наиболее характерно для графитового катода, что может быть связано с высокой температурой плавления и низкой механической прочностью материала.
Альтернативный механизм образования МКФ рассмотрен в [31]. На первой стадии процесса происходит плавление электрода иод катодным пятном, чем создается местное ослабление механической прочности материала. На второй стадии, электрическое поле пятна вытягивает и вырывает ослабленный превращением в жидкость участок материала, который отделившись от катода, принимает форму капли. При этом графит, как материал с низкой механической прочностью может разрушаться, минуя стадию плавления, вследствие отрыва электрическим полем наиболее слабо связанных с катодом твердых частиц.
На долю МКФ может приходиться до нескольких десятков процентов от общей массы, уносимого с катода материала [38]. Размер частиц преимущественно зависит от материала катода, тока и длительности разряда. Например, для Сс1 размер микрочастиц достигает более 100 мкм, а для Мо не превышает 20 мкм. Минимальные размеры зарегистрированных частиц составляли менее 100 А [40]. Количество частиц экспоненциально возрастает с уменьшением их диаметра. Однако основные потери массы в капельной фазе, например, для Си и Сс1 происходят за счет частиц с размером 10-40 мкм.
27
Максимум функции распределения частиц в пространстве приходится на угол 20°-30° к поверхности катода, а скорость их распространения достигает 10-102 м/с [25, 41]. Следует заметить, что угловое распределение МКФ остается практически постоянным для любых материалов и токов ВДР. Отмечено, что при больших углах с катодной плоскостью наблюдается уменьшение размеров частиц. В зависимости от режима генерации плазмы и материала катода МКФ' может находиться в жидком или твердом агрегатном состоянии.
Исследования Си микрочастиц показали, что большинство из них имеет правильную круглую форму [25]. У частиц больших размеров наблюдается почти плоская средняя часть, которая окружена более высоким кольцом. Для размеров несколько мкм и менее, структура частиц имела склонность к приобретению формы полушарий. Форма обнаруженных частиц подтверждает предположение, что до столкновения с подложкой они находились в жидком состоянии. Объем частиц может быть определен с помощью выражения:
V = ~б (У с1 У (мкм) (1.2)
где А- наружный диаметр, у и 8 - константы, зависящие от материала катода.
По виду представленных на рис. 1.4 зависимостей изменения количества частиц от длительности разряда (кривые 1, 2) можно сделать вывод, что в течение первых пяти наносекунд жидкие микрочастицы не выбрасываются из кратеров [20]. С увеличением длительности импульса доля МКФ возрастает и асимптотически приближается к значению, определенному при исследовании квазистационарных дуг.
Из кривой 3 следует, что доля МКФ в плазменном потоке повышается с ростом тока ВДР [42]. В случае использования стационарных дуг наиболее резкий рост отмечен при /д > 90 А. Причем основное увеличение приходится на капли большого размера. Содержание МКФ в потоке дуговой плазмы зависит также от температуры плавления материала катода. Для Mg и Аи объем переносимого микрочастицами вещества достигал 80 и 50 % от объема
28
уносимого с катода материала [41]. Для Си дуги на долю МКФ приходилось 30 % потерь массы катода [40]. Для количественной оценки МКФ в [41] использовалось выражение:
где п - число зарегистрированных частиц, г - длительность дугового разряда, Д£2 - телесный угол, V- падение напряжения на дуге, 1- ток дугового разряда.
Встречающиеся в литературе более частные характеристики количества МКФ такие, как число зарегистрированных частиц, число частиц на единицу поверхности, вероятность испускания частиц определенного диаметра в единицу времени и т.д., обычно гребуют дополнительной информации о режимах функционирования ВДР.
(число частиц/Дж)
(1.3)
60
80
100
120
140 /д, А
М
д, %.
40
30
20
1---------------1-1----------1-1----------1-1----------1-1-----------1 Ь
50 100 150 200 250 ?, не
И
Рис.1.4. Зависимость изменения МКФ от длительности (1,2) и тока (3) ВДР: Мк - масса МКФ, А/общ - масса уносимого с катода материала, Д - площадь занимаемая МКФ на поверхности подложки
29
1.2. Источники плазмы на основе вакуумно-дугового разряда
Схемы разрядных систем электродугового испарителя (ЭДИ) приведены на
рис. 1.5. Площадь эмиссионной поверхности катода может составлять от
2 2
нескольких мм до тысяч см . Катоды с малой площадью эмиссионной поверхности, как правило, применяются в ионных источниках [37, 43, 44]. В технологиях ионно-плазменного нанесения покрытий используются ЭДИ с массивными катодами, имеющими объем рабочего материала 102—3* 103 см3. Форма катода определяет конфигурацию плазменного потока. Для формирования аксиально-симметричных плазменных потоков, как правило, используют катоды в форме диска [45]. Протяженные плазменные потоки формируются с применением прямоугольных или цилиндрических катодов [46,47].
В качестве анода ЭДИ может выступать либо специальный, положительный по отношению к катоду электрод, либо его функцию частично или полностью выполняют стенки вакуумной камеры. В [48] приведено выражение, характеризующее минимальную площадь поверхности анода для стабильного горения ВДР:
£ < 1л/еп[кТс/2птс]и2 (1.4)
где /д - ток разряда, с - заряд электрона, п - концентрация частиц, к - постоянная Больцмана, Те - температура электронов, те - масса электронов
ВДР может быть инициирован в результате электрического пробоя между катодом и анодом при напряженности электрического поля 13-26 кВ/мм [49]. С учетом "минимума Пашена" в [50] показана возможность снижения напряжения пробоя до нескольких сотен вольт. Применение рассмотренных вариантов инициирования ВДР на практике, как правило, значительно усложняет конструкцию ЭДИ и надежность его работы. Эго относится и к методу инициирования ВДР при воздействии на катод импульсного лазерного луча [51 ].
зо
Рис. 1.5. Схемы разрядных систем и методы стабилизации катодных пятен на рабочей поверхности катода; а) на торцевой поверхности стержневого катода, б) с использованием арочного поля на плоской поверхности, в) на цилиндрическом или плоском протяженном катоде: 1 - катод, 2 - магнитная система, 3 - анод
Наиболее часто для инициирования ВДР применяют вспомогательный электрод [3, 38]. Особенность подхода связана с формированием промежуточного ВДР или его вариаций между катодом и поджигающим электродов. Плазма вспомогательного разряда замыкает анод-катодный промежуток ЭДИ и стимулирует развитие основного разряда. Вариантами этого подхода являются пробой малого вакуумного промежутка, разряд по поверхности керамического изолятора, разряд по поверхности тонкой пленки с последующей ионизацией паров испарившегося материала. В вакуумно-дуговых генераторах ідзовой плазмы, для которых характерен разряд без образования катодного пятна, вспомогательные разряды формируются в ячейке Пеннинга [52], с применением накальных катодов [53] или других генераторов плазмы [54].
Режим непрерывного горения ВДР достигается при стабилизации катодного пятна на рабочей поверхности катода. На практике применяются два основных подхода к управлению перемещением катодного пятна. Первый из них характерен для импульсных ЭДИ или генераторов плазмы протяженного
31
типа и основан на использовании защитных экранов, находящихся, как правило, под плавающим потенциалом. Применение экранов исключает сбегание катодного пятна на нерабочие поверхности катода. В ЭДИ протяженного типа квазистационарный режим ВДР может поддерживаться импульсно-периодическим инициированием разряда на противоположной от токоподвода стороне катода, либо использованием схемы переключения токоподвода между противоположными сторонами катода [47, 55]. Траектория движения катодного пятна задается тангенциальным магнитным полем, сформированным током, протекающим по катоду.
Активное управление перемещением катодного пягна реализуется в условиях наложения внешнего магнитного поля ~ 10*2 Тл [38, 56]. Катодные пятна надежно стабилизируются в тех областях, где линии магнитного поля расположены нормально либо тангенциально к поверхности катода. На рис. 1.5 а, б представлены варианты стабилизации катодного пятна на торцевой поверхности стержневого катода с применением аксиально-неоднородного магнитного поля и на торцевой поверхности плоского катода с использованием азимутально-однородного магнитного поля. Благодаря наличию скрещенных электрических и магнитных полей в системах подобного типа появляются эффекты замагниченности и азимутального дрейфа электронов, приводящие к увеличению времени их жизни в плазме и соответственно к повышению их ионизирующей способности [57]. Подобные схемы стабилизации пятна на рабочей поверхности катода нашли применение в промышленных установках для ионно-плазменного осаждения покрытий серии Булат, Пуск, "Юнион", ВУ-1БС, ННВ-6.6-И1 и др. [58, 59]. В [4, 38] показано, что наложение продольного магнитного поля в разрядной области вакуумно-дуговых источников позволяет влиять не только на стабильность разряда и КПД плазменного генератора, но и на распределение концентрации плазмы по сечению потока.
32
1.3. Способы и устройства очистки плазмы вакуумно-дугового разряда от микрокапсльной фракции
Решение задачи уменьшения, а в ряде случаев полного устранения МКФ в плазменном потоке и в структуре формируемых покрытий реализуется в двух основных направлениях. Одно из них связано с организацией условий функционирования ВДР и выбором режимов ионно-плазменной и ионнолучевой обработки поверхности материалов. Второе - с созданием специальных устройств очистки плазмы - плазменных фильтров (ПФ).
Например, заметное снижение МКФ в структуре покрытия наблюдалось в импульсном режиме генерации плазмы, при длительности разряда до нескольких сотен мкс [20], в условиях быстрого перемещения катодного пятна [60], при увеличении площади поверхности катода [61], уменьшении коэффициента эрозии катода, например, в случае формирования в поверхностном слое нитридных соединений [60, 61], при формировании вблизи поверхности обрабатываемой мишени отрицательного потенциала [61-63], нагреве подложки [4, 60, 65] или использовании непрерывного ВДР с распределенным разрядом на горячем (> 103 К) катоде [7, 64].
В [66] снижение МКФ в потоке дуговой плазмы достигалось в ЭДИ с цилиндрическим анодом в виде скрученной спирали из трубки круглого сечения. Часть МКФ, вследствие неплотной намотки спирали, имела возможность распространяться без взаимодействия с поверхностью анода и покидала плазменный поток. Уменьшение МКФ на поверхности покрытия регистрировалось в случае использования порошкового катода [67, 68]. Проведенные исследования состава плазменного потока, поверхностной структуры материала катода и конденсатов показали, что при эрозии пористых катодов сильноточной низковольтной вакуумной дугой происходит снижение капельной фазы в 1,5-2 раза за счет внедрения расплавленного металла в поры катода и увеличения угла разлета капель.