Содержание к диссертации
Введение
Глава 1, Основные методы нанесения покрытий в вакууме 12
1.1. Получение в вакууме пара осаждаемого материала 13
1.2. Активация поверхности подложки и повышение подвижности атомов осаждаемого покрытия 28
1.3. Источники ионов для сопровождения осаждения покрытий 32
1.4. Характеристики тлеющего разряда в трех диапазонах давления области эффекта электростатической ловушки (ЭЭЛ) 43
1.5. Зависимость характеристик тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов (ТРЭУЭ) от расположения анода и площади его поверхности 49
1.6. Влияние на ТРЭУЭ катодного распыления 52
1.7. Получение с помощью ТРЭУЭ плазменного эмиттера ионов 56
1.8. Источники быстрых нейтральных атомов и молекул 60
1.9. Выводы 61
Глава 2. Характеристики источников широких пучков быстрых молекул с объемом электростатической ловушки 0,01 -0.1 MJ 63
2.1, Взаимозависимость плазменного эмиттера источника и вторичной плазмы за эмиссионной сеткой в среднем диапазоне области ЭЭЛ 64
2.2, Исследование зависимости верхней границы рабочего диапазона давления источника от геометрических параметров ловушки и сетки 81
2.3, Зависимость угла расходимости ускоренных частиц от первеаисалучка и геометрических параметров сетки 87
2.4, Зависимость от давления газа распределения тока пучка по его сечению 94
2.5. Предотвращение перехода сильноточного тлеющего разряда в дугу в мощных источниках с секционированными катодами и сетками 97
2.6. Выводы 99
Глава 3. Условия поддержания разряда с электростатическим удержанием электронов в источниках с малым объемом ловушки 0,001 - 0,01 мJ 103
3.1. Исследование зависимости тока и катодного падения разряда от тока и энергии бомбардирующих катод электронов 105
3.2. Зависимость характеристик разряда от потенциала погруженной в плазменный эмиттер мишени 119
3.3. Предотвращение распада анодной плазмы двойного слоя в источниках с перепадом давления между полым анодом и ловушкой 127
3.4. Выводы 136
Глава 4. Практическое применение результатов исследований 137
4.1. Травление поверхности быстрыми атомами и молекулами 137
4.2. Сопровождение осаждения покрытий медленными молекулами 148
4.3. Нагрев, травление и осаждение покрытий с помощью универсальных источников электронов, быстрых молекул и металлического пара 153
4.4. Выводы 164
Заключение 165
Литература 166
- Получение в вакууме пара осаждаемого материала
- Взаимозависимость плазменного эмиттера источника и вторичной плазмы за эмиссионной сеткой в среднем диапазоне области ЭЭЛ
- Исследование зависимости тока и катодного падения разряда от тока и энергии бомбардирующих катод электронов
- Травление поверхности быстрыми атомами и молекулами
Введение к работе
Газовый разряд и пучки ускоренных частиц широко используются для модификации свойств поверхности. Для однородной обработки ускоренными частицами изделий размером ~ 10 см и для осаждения на их поверхность однородных покрытий расстояние от источников, как ускоренных частиц, так и медленных атомов осаждаемых материалов должно превышать указанный размер, а длина свободного пробега частиц должна быть еще больше. При комнатной температуре длина свободного пробега молекул газа при давлении 1 Па немного меньше 1 см. Следовательно, давление газа в рабочей вакуумной камере должно быть меньше 0,1 Па.
При таком низком давлении необходимые для модификации поверхности частицы получают с помощью вакуумно-дугового [1] и высокочастотного [2] разрядов, а также с помощью разрядов в магнитном поле [3,4]. Например, камеры объемом до 1 м 3 заполняют однородной плазмой с помощью разряда с термоэмиссионными катодами и мультипольноЙ магнитной системой на стенках камеры, являющейся для плазменных электронов магнитной ловушкой [5]. В последнем случае в качестве термоэмиссионных катодов часто используют цилиндрические полые катоды из тугоплавкого металла или гексаборида лантана, накаливаемые током до 100 А ионов с энергией в десятки эВ [6],
Тлеющий разряд с холодным полым катодом [7], являющимся для плазменных электронов электростатической ловушкой, долгое время не применялся для модификации большой поверхности. Причиной тому сравнительно высокое рабочее давления газа, заметно превышавшее 1 Па во всех известных случаях. Лишь в восьмидесятые годы впервые было экспериментально доказано, что рабочее давление разряда можно снизить до 0,01 Па, уменьшив апертуру S0 ухода электронов из электростатической ловушки [8]. Это расширило диапазон применений тлеющего разряда без магнитного поля для модификации поверхности, а также для решения других задач.
Одно из новых применений разряда - получение при давлении 0,01 - 0,1 Па широких пучков ионов [9-15] и быстрых нейтральных атомов и молекул [16-18]. Проще всего формировать такие пучки, ускоряя ионы между двумя плазмами, отделенными друг от друга одной единственной эмиссионной сеткой под отрицательным потенциалом. Одна из них - плазма тлеющего разряда внутри источника пучка. Вторая плазма образуется за его сеткой в рабочей камере в результате нейтрализации объемного заряда ускоренных ионов вторичными электронами со стенок. Эта схема ускорения позволила снять целый ряд ограничений, характерных для многосеточных ионно-оптических систем, и получать стационарные моноэнергетические пучки быстрых молекул сечением до 8000 см и эквивалентным током до десятков ампер при любой энергии частиц от десятков эВ до нескольких кэВ. Изменяя форму сетки, можно варьировать конфигурацию пучка и получать как сходящиеся, так и расходящиеся, например, во все стороны с цилиндрической эмиссионной поверхности, пучки быстрых нейтральных частиц, образующихся в результате перезарядки ускоренных ионов в рабочей камере [18], Непрерывная очистка холодного катода ионами позволяет получать быстрые молекулы таких химически активных газов, как кислород.
Однако разрабатывать источники с небольшими габаритными размерами ~ 10 см оказалось достаточно сложно. Это связано с необходимостью выполнения противоречащих друг другу условий. С одной стороны, нужно не допустить пробоя между разделенными эмиссионной сеткой плазмами, который неизбежен при увеличении давления до ~ 0,5 ~ 1,0 Па. С другой стороны, необходимо обеспечить самостоятельность тлеющего разряда в объеме газоразрядной камеры (ГРК) источника от 1 до 5 литров, а для этого давление газа должно быть не ниже указанной величины.
Известно, что область эффекта электростатической ловушки (ЭЭЛ) включает три диапазона, отличающихся друг от друга характером зависимости параметров разряда от давления [19]. Если роль ловушки выполняет камера объе- мом K=0,1 т 1 mj, апертуру ухода из нее электронов S0 можно легко уменьшить до величины, при которой благоприятное для транспортировки частиц давление 0,01 - 0,1 Па попадает в средний диапазон области эффекта, где разрядное напряжение минимально, а вольтамперная характеристика практически не зависит от давления. Однако если речь идет об объеме 1 - 5 литров, то апертура S0, при которой давление 0,01 - ОД Па также попало бы в средний диапазон, оказывается меньше порога S" образования в разряде двойного электростатического слоя [20]. Анодная плазма слоя при уменьшении давления/? до 0,5 -1 Па распадается, и разряд обрывается. Чтобы разряд не погас при р < 0,5 Па, приходится ограничиваться апертурой S0 > S* = (2m/M)U2SKi где SK - площадь поверхности ловушки, а т и М- массы электрона и иона. Поэтому при малом объеме V оптимальное для модификации поверхности давление 0,01 - 0,1 Па оказывается в нижнем диапазоне области ЭЭЛ.
В нижнем диапазоне быстрые электроны значительную долю своей энергии уносят из ловушки. Поэтому с уменьшением давления газа для поддержания разрядного тока приходится повышать катодное падение потенциала до 1 кВ и выше. При ограниченном напряжении источника питания ток с уменьшением давления быстро снижается, и разряд погасает. Кроме того, высокое катодное падение приводит к перегреву катода ГРК и загрязнению пучка его материалом, распыляемым ионами.
В связи с этим актуальными задачами, которые необходимо решить для получения с помощью разряда при давлении 0,01 - 0,1 Па однородной плазмы в объеме 1 - 5 литров, являются снижение катодного падения и повышение тока разряда в нижнем диапазоне области ЭЭЛ, а также предотвращение распада анодной плазмы двойного слоя разряда в среднем диапазоне при S0 < S*.
Кроме того, для достижения положительного эффекта сопровождения осаждения покрытия его бомбардировкой быстрыми атомами и молекулами необходимо решить проблему совмещения широкого пучка ускоренных частиц с потоком медленных атомов осаждаемого материала. Быстрые частицы должны бомбардировать осаждаемое покрытие непрерывно и на всей поверхности изделия сложной геометрической формы с пазами и выступами. Это возможно лишь в том случае, если медленные осаждающиеся частицы и сопровождающие их быстрые частицы стартуют с одной и той же эмиссионной поверхности и имеют одинаковые угловые характеристики.
Простота конструкции, большой срок службы источников с холодным катодом и их низкая себестоимость по сравнению с источниками на основе высокочастотного разряда или разряда с накаленными катодами и периферийным магнитным полем явились обоснованием экономической целесообразности и актуальности исследований формирования широких пучков ускоренных частиц и металлического пара на основе тлеющего разряда с электростатическим удержанием электронов, выполнявшихся в настоящей диссертационной работе в рамках федеральных целевых научно-технических программ на 2002 - 2006 годы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники», «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», «Интеграция науки и высшего образования России», и соответствовавших критической технологии федерального значения «Электронно-иоино-плазменные технологии».
Основными целями работы являются: исследование формирования широких пучков быстрых нейтральных атомов и молекул при ускорении ионов в системе плазма-сетка-плазма и определение зависимости рабочего диапазона давления и характеристик пучка от геометрических параметров ГРК и эмиссионной сетки источника, изучение возможности снижения катодного падения потенциала и повышения тока разряда в ГРК в результате бомбардировки холодного катода электронами с энергией 0,5 - 1 кэВ, поиск путей предотвращения распада анодной плазмы двойного электростатического слоя при давлении газа в ГРК ~ ОД Па, а также - разработка на основе полученных результатов источников широких пучков быстрых нейтральных молекул и универсальных источников широких пучков электронов и быстрых молекул, совмещенных с потоком металлического пара.
Научная новизна работы заключается в том, что: впервые изучена зависимость характеристик источников широких пучков быстрых нейтральных атомов и молекул от геометрических параметров эмиссионной сетки и электростатической ловушки тлеющего разряда в ГРК; впервые показано, что в нижнем диапазоне давления области (ЗЭЛ) повышение тока электронной эмиссии на катоде в результате его бомбардировки электронами с энергией 0,5 - 1 кэВ снижает катодное падение потенциала разряда с током - 1 А от ~ 1000 В до ~ 100 В; экспериментально доказано, что перепад давления между ловушкой объемом
1 л и полым анодом, из которого газ поступает в нее через отверстие с площадью, на порядок меньшей порога образования двойного электростатического слоя, обеспечивает поддержание стационарного разряда с током в несколько ампер при давлении газа в ловушке ~ 0,1 Па; впервые исследовано осаждения покрытий на проводники и диэлектрики в сопровождении широким пучком быстрых нейтральных молекул, а также осаждения покрытий с помощью универсальных источников пучков ускоренных частиц, совмещенных с потоком металлического пара.
Практическая ценность работы состоит в том, что: на базе полученных результатов разработаны источники широких пучков быстрых нейтральных молекул сечением 0,01 - 0,8 м 2 для низкоэнергетической имплантации, травления диэлектрических материалов и проводников, а также для сопровождения быстрыми частицами осаждения покрытий; разработаны универсальные источники широких пучков электронов и быстрых молекул, совмещенных с потоком металлического пара, обеспечивающие предварительный нагрев массивного изделия электронным пучком мощностью ~ 10 кВт, очистку и активацию его поверхности быстрыми молекулами с энергией 0,5 - 1 кэВ и осаждение на нее покрытия в сопровождении быстрыми молекулами с энергией 50 - 200 эВ; - разработанные устройства нашли применение, как в научном эксперименте, так и в промышленности.
Первая глава содержит обзор литературных данных по источникам металлического пара для осаждения покрытий в вакууме и источникам ускоренных частиц для распыления поверхности и модификации покрытий в процессе их осаждения.
Во второй главе приводятся результаты исследования источников широких пучков быстрых нейтральных молекул с объемом ловушки от 0,01 м2 до 0,1 м \ свидетельствующие о взаимозависимости плазменного эмиттера и вторичной плазмы во всем рабочем диапазоне давлений от ~ 0,02 Па до - 0,8 Па, верхняя граница которого практически не зависит от геометрических параметров электростатической ловушки разряда и эмиссионной сетки. Эта взаимозависимость обусловлена проникновением электронов из вторичной плазмы через эмиссионную сетку в плазменный эмиттер, бомбардировкой ими катода ГРК, повышением потенциала вторичной плазмы в рабочей камере и возникновением в ней несамостоятельного тлеющего разряда, повышающего степень ионизации газа. При переходе из среднего в нижний диапазон давления области ЭЭЛ бомбардировка катода электронами с энергией 0,5 - 1,5 кэВ становится необходимым условием поддержания тока пучка. В нижнем диапазоне он снижается при уменьшении тока электронов через сетку и погасает при его полном запирании.
Третья глава посвящена условиям поддержания разряда в источниках с малым объемом ловушки V < 0,01 мJ, при котором разряд в среднем диапазоне области ЭЭЛ должен иметь двойной электростатический слой, а разряд без двойного слоя оказывается в ее нижнем диапазоне. В последнем случае для по- лучения пучка с энергией свыше 1 кВ разряд в ГРК поддерживается бомбардировкой ее катода электронами из вторичной плазмы. Показано, что с увеличением тока этих электронов до величины, соизмеримой с эквивалентным током пучка, катодное падение разряда с током ~ 1 А снижается от ~ 1000 В до ~ 100 В. Использовать бомбардировку катода для поддержания разряда в источнике пучка с энергией 50 - 200 эВ невозможно, так как при уменьшении напряжения между эмиттером и сеткой ниже 500 В энергия бомбардирующих электронов и коэффициент электрон-электронной эмиссии уменьшаются до нуля. Поэтому здесь для поддержания разряда с ловушкой объемом ~ 0,001 м 3 используется перепад давления между ней и полым анодом, из которого поступает газ, Получены пучки быстрых молекул сечением 100 - 1000 см2, с эквивалентным током до 1 - 2 А и с энергией, регулируемой практически от нуля до ~ 500 эВ.
В четвертой главе приводятся примеры использования результатов исследований для травления поверхности быстрыми атомами и молекулами с энергией 0,5 - 1,5 кэВ, сопровождения осаждения покрытий медленными молекулами с энергией 50 - 200 эВ, а также для нагрева, травления и осаждения покрытий с помощью универсальных источников электронов, быстрых молекул и металлического пара.
На защиту выносятся следующие научные положения:
Уменьшение разности потенциалов между рабочей вакуумной камерой и эмиссионной сеткой источника быстрых нейтральных молекул, расположенной между плазменным эмиттером источника и вторичной плазмой в камере, приводит, с одной стороны, к несамостоятельному разряду в камере и повышению потенциала и концентрации вторичной плазмы, а с другой стороны - к росту концентрации плазменного эмиттера и тока пучка из-за повышения тока электронной эмиссии на катоде.
В нижнем диапазоне давления области ЭЭЛ облучение катода тлеющего разряда электронами с энергией 0,5 - 1 кэВ из рабочей камеры снижает катодное падение потенциала разряда с током в единицы ампер от ~ 1000 В до ~
100 В, причем увеличение электронного тока через сетку свыше - 10 % от тока пучка вызывает рост потенциала вторичной плазмы в рабочей камере.
Перепад давления между ловушкой объемом - 1 л и полым анодом, из которого в нее поступает газ через отверстие площадью, на порядок меньшей порога образования двойного электростатического слоя, обеспечивает поддержание разряда с током в несколько ампер при давлении - 0,1 Па.
При погружении в плазму ТРЭУЭ металлической мишени и подаче на нее отрицательного напряжения источник формирует комбинированный пучок быстрых молекул, а также атомов металла и вторичных электронов, эмитируемых мишенью, причем относительное содержание электронов, медленных атомов металла и быстрых молекул, а также угловые характеристики и энергия последних регулируются в широком диапазоне посредством изменения выходных параметров источников электропитания.
Получение в вакууме пара осаждаемого материала
Многие материалы испаряют в вакууме путем нагрева до высокой температуры изготовленных из них мишеней. На рис. 1 приведены две из возможных схем получения металлического пара с помощью нагревателя из тугоплавкого материала. Для получения пара вещества, которое в жидком состоянии смачивает материал нагревателя, применяют проволочные испарители. При этом расплавленное вещество в виде капель удерживается на нагревателе силами поверхностного натяжения [24]. Проволочные испарители имеют V- и W-образную форму, а также изготавливаются в виде волнообразных спиралей. Проволочный испаритель простейшей конструкции, представленный нарис, la, используется для нанесения пленок алюминия, который хорошо смачивает вольфрамовый проволочный нагреватель - цилиндрическую проволочную спираль 2. Испаряемое вещество в виде скобок 3 навешивают на спираль, которую отогнутыми концами 1 вставляют в контактные зажимы. При нагреве это вещество плавится и формируется на проволоке в виде капель. Снизу размещаются тепловой и ограничивающий экраны. Проволочные испарители предназначены для создания протяженного источника потока испаряемого материала, и для этого на протяженный нагреватель навешивается множество скобок 3.
При плохой смачиваемости испаряемого вещества, а также для испарения навесок в форме гранул или кусочков применяют испарители в виде конической проволочной спирали 6 (рис. 1,6), закрепляемой на зажимах токопод-вода 4. Спираль окружена цилиндрическим тепловым экраном 5, а снизу размещается ограничивающий экран 7. Наиболее распространенным материалом для изготовления проволочных испарителей является проволока диаметром 1 мм из вольфрама или тантала.
Алюминий и другие материалы испаряют также в ленточных испарителях. На рис. 2 представлен испаритель в виде ленты из тугоплавкого металла с углублением для испаряемого материала, который нагревается пропускаемым через ленту током.
Для испарения материалов с более высокой температурой испарения используют концентрированные электронные пучки, бомбардирующие материал, расположенный в тигле. На рис. 3. представлена схема устройства электроннолучевого испарения. Так как материал в тигле обычно находится в жидком состоянии, тигель 3 устанавливают на дно рабочей вакуумной камеры, а изделие 10 располагают над ним. Металлический пар 5 поступает на изделие и на его поверхности осаждается покрытие 9. Чаще всего термокатод 6 и фокусирующая система 7 электронной пушки располагаются также на дне вблизи тигля, а электронный луч 8 разворачивают и направляют сверху вниз на поверхность испаряемого материала 4 в тигле 3 с помощью магнитной системы, содержащей полюсный наконечник 1 и электромагнит 2. Изменяя напряженность магнитного поля, можно также перемещать луч 8 по поверхности материала 4. Температура материала 4 в зоне электронного луча 8 может существенно превышать температуру плавления тигля 3. Поэтому при электроннолучевом испарении тигель не нагревают, как в вышеупомянутых устройствах, а наоборот, охлаждают проточной водой.
Взаимозависимость плазменного эмиттера источника и вторичной плазмы за эмиссионной сеткой в среднем диапазоне области ЭЭЛ
Для проведения исследований был разработан и изготовлен источник пучка прямоугольного сечения 90x17 см с объемом электростатической ловушки V = 20 литров, который можно установить на имевшейся в наличии вакуумной камере экспериментальной установки. Фотография установки с источником пучка представлена на рис. 28, а схема ее электропитания представлена на рис. 29.
Разрядная плазма в электростатической ловушке поддерживается источником 1 стабилизированного постоянного тока от 0,1 до 5 А между анодом 2 и прямоугольным полым катодом 3 длиной Н = 90 см, глубиной h = 12,5 см и шириной 17 см, ток в цепи которого 1К измеряется амперметром 4, и вторым источником 5 стабилизированного постоянного напряжения от нуля до 3 кВ между катодом 3 и эмиссионной сеткой 6. Ионы 7 вытягиваются из плазменного эмиттера 8 и ускоряются суммарным напряжением источников 1 и 5 в слое положительного объемного заряда 9 между ним и сеткой 6, выполненной из листа титана толщиной 1,5 мм, с отверстиями диаметром 7,5 мм на расстоянии 8 мм между их центрами. При постоянном давлении газа концентрация плазмы 8 и ток Ік в цепи катода 3 быстро возрастают с увеличением напряжения UK источника 1. В то же время они практически не зависят от напряжения источника 5, которое при постоянном токе эмиссии 1Э, равном разности токов в цепи анода 2 и катода 3, позволяет регулировать напряжение между эмиттером 8 и сеткой 6, а, следовательно, и энергию ускоренных частиц.
Через сетку 6 прозрачностью 80 % ионы 7 поступают в камеру перезарядки 10, где в результате столкновений с молекулами газа 11 превращаются в быстрые нейтральные молекулы 12, бомбардирующие установленные на устройстве планетарного вращения 13 изделия 14. Большинство образующихся при перезарядке медленных ионов 15 поступает на сетку 6, а остальные ионы 16 переносят заряд на стенки камер 10 и 17. Их ток, регистрируемый амперметром 18, создает падение напряжения на резисторе 19 и понижает потенциал сетки 6, ток в цепи которой регистрируется амперметром 20, Эмитируемые поверхностями сетки 6 и камер 10, 17 вторичные электроны 21 захватываются электрическим полем объемного заряда ионов 7, 15 и 16. В результате синтезируется вторичная плазма 22. При бесконечно большом сопротивлении резистора 19 (разрыв цепи) статический вольтметр 23 регистрирует отрицательный потенциал сетки 6, практически равный сумме напряжений источников питания 1 и 5, а вольтметр 24 между анодом 2 и заземленными камерами 10, 17 - напряжение, не превышающее 10 В.
Исследование зависимости тока и катодного падения разряда от тока и энергии бомбардирующих катод электронов
В качестве примера рассмотрим разряд в источнике пучка прямоугольного сечения с полым катодом длиной 35 см, шириной 8 см, глубиной 5,5 см и сеткой на расстоянии 0,5 см от него. Площадь поверхности электростатической ловушки этого источника S = 1076 см 2, а ее объем V = 1680 см 3, что в 12 раз меньше, чем в источнике, представленном на рис. 28. Определив с помощью графика на рис. 49 для разряда в аргоне с катодным падением UK = 390 В величину 2д, - 15 см и подставляя ее, а также W =26 эВ, (М/2т)]а = 192 и AVIS = 6,25 см, получим р0 к 0,2 Па. Если учесть нагрев газа в ловушке до 600 - 700 К при токе разряда до нескольких ампер, то реальная величина р0 составляет 0,4 - 0,6 Па, что согласно представленным в разделе 2.2 результатам исследований вплотную приближается к верхней границе рабочего диапазона давления аргона рир 1 Па. Таким образом, даже при минимальной допустимой площади анода - 6 см2 рассматриваемый источник может устойчиво работать без про боев между плазменным эмиттером и плазмой в камере только в нижнем диапазоне давления области ЭЭЛ.
В этом диапазоне потери эмитированных катодом электронов, эквивалентные снижению эмиссионной способности катода, которое в среднем диапазоне давления области ЭЭЛ приводит к росту с7к (рис. 23) или же к снижению тока и погасанию разряда. Поэтому одним из путей снижения UK и повышения разрядного тока и тока пучка является увеличение каким-либо образом тока электронной эмиссии на катоде. Это уже подтверждено экспериментально, например, в разряде с сетчатым полым катодом, через который поступают в ловушку и ускоряются в катодном слое электроны из вспомогательного разряда [13-15]. Ток электронной эмиссии можно также увеличить в результате облучения холодного катода интенсивным ультрафиолетовым излучением или бом бардировки его пучком энергичных ионов или быстрых нейтральных молекул. Результаты исследований, представленные в разделе 2.1, свидетельствуют о том, что инжекция электронов в источник через его сетку сильно влияет на разряд уже в среднем диапазоне ЭЭЛ, а в нижнем диапазоне ЭЭЛ ее роль еще больше увеличивается.
В настоящей работе изучено влияние на разряд в нижнем диапазоне давления области ЭЭЛ облучения катода электронами с энергией 0,5 - 2 кэВ [103]. На рис. 50 представлена схема экспериментальной установки для изучения воздействия на разряд, формирующий плазменный эмиттер ионов источника быстрых нейтральных молекул, электронов, поступающих в источник через его эмиссионную сетку, Источник пучка прямоугольного сечения 35x8 см 2 уста-новлен на фланце вакуумной камеры 1 объемом 0,5 м . Внутри его корпуса 2 располагается полый катод 3 длиной 35 см, шириной 8 см и глубиной 6 см, открытый в направлении плоской сетки 4 длиной 35 см и шириной 8 см. Через отверстие в катоде 3 в него введен анод 5 с площадью поверхности 6 см2. Источником питания разряда, формирующего плазменный эмиттер 6, служит выпрямитель 7 с регулируемым выходным напряжением до 1,5 кВ. Отрицательный полюс выпрямителя 8 с регулируемым напряжением до 3 кВ, ускоряющим ионы в промежутке между плазменным эмиттером 6 и плазмой 9 в камере 1, соединен с последней через резистор обратной связи 10 [16,17]. Плазма 9 образуется в результате нейтрализации объемного заряда ускоренных в слое между плазменным эмиттером б и сеткой 4 ионов, поступающих через ее отверстия в камеру 1, вторичными электронами с поверхностей сетки 4 и камеры 1, захватываемыми в потенциальную ловушку объемного заряда ионов. При давлении 0,1 - 0,3 Па расстояние от сетки 4, на котором ускоренные в промежутке между плазменным эмиттером 6 и плазмой 9 ионы в результате перезарядки в камере 1 превращаются в быстрые нейтральные молекулы, не превышает ширины сетки. Поэтому значительная доля образованных при перезарядке медленных ионов вытягивается электрическим полем на сетку 4. Их ток, а также ток 20 % ионов, ускоренных в промежутке между плазменным эмиттером 6 и сеткой с прозрачностью г] = 0,8, протекают в цепи сетки 4.
В первой главе отмечалось, что независимо от того, формируются в осаждаемом покрытии остаточные напряжения растяжения или сжатия, оно разрушается при достижении пороговой абсолютной величины напряжения, которая в первую очередь зависит от силы сцепления покрытия с подложкой (адгезии) [56]. Хорошая адгезия упрочняющих покрытий позволяет изделиям, например, режущему инструменту, работать при более высоких нагрузках и температуре. Поэтому для улучшения адгезии поверхность изделий перед нанесением покрытий обязательно очищают от загрязнений в кипящей ультразвуковой ванне деионизованной воде, в моющих растворах, спирте или трихлорэтилене. Поверхность очищенных указанным образом изделий после загрузки их в рабочую вакуумную камеру с электродуговыми испарителями металла дополнительно подвергают бомбардировке ионами металла, вытягиваемыми из плазмы дугового разряда отрицательным напряжением смещения 1 кВ.
Чтобы исключить обсуждавшиеся в разделе 1.3 затупление режущих кромок инструмента и повреждение их катодными дуговыми пятнами при пробоях промежутка между ним и плазмой, было предложено заменить иммерсионное травление поверхности обработкой широким пучком быстрых атомов аргона [107]. На базе представленных в разделе 3.1 результатов исследований была разработана серия малогабаритных источников пучка с объемом ловушки несколько литров и энергией ускоренных частиц от 1 кэВ до 10 кэВ, в которых разряд поддерживается быстрыми электронами из рабочей камеры. Например, представленный на рис. 39 источник с объемом ловушки 8,5 литра и диаметром эмиссионной сетки 24 см использовался на серийной установке упрочнения инструмента ННВ-6.6 (рис. 62). Опыт его эксплуатации показал, что предварительная очистка поверхности инструмента быстрыми атомами аргона с энергией от 1 до 2 кэВ повышает срок его службы в 1,5-2 раза [108].
На таких же установках широко использовались представленные на рис. 48 источники с объемом ловушки 3 литра и диаметром эмиссионной сетки 16 см, а также их модификация, представленная на рис. 63. Один из модифицированных источников (рис. 64) использовался для изучения влияния обработки быстрыми нейтральными молекулами на адгезию покрытий в рамках совместного проекта НАТО «Наука ради мира» с участием Стамбульского (Турция) и Лёвенского (Бельгия) университетов [109]. Его источник питания позволял получать пучок с эквивалентным током до 0,5 А и энергией от 1 кэВ до 10 кэВ.
Измерения адгезии покрытий из нитрида титана, осаждаемых на подложках из быстрорежущей стали, очищенных разными методами, показали, что после распыления пучком адгезия значительно лучше, чем после очистки в кипящей воде, в спирте или в трихлорэтилене [110].
