способ и устройство получения стационарного комбинированного разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления

Формула изобретения

1. Способ получения стационарного комбинированного разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления у оконечной части обрабатываемого электропроводного объекта, имеющего выступающие части или заостренные кромки, заключающийся в том, что на объект подается положительный потенциал, формирующий вокруг объекта электростатическое поле, на которое накладывается сверхвысокочастотное электромагнитное поле на уровне СВЧ-мощности ниже необходимой для возбуждения и поддержания безэлектродного СВЧ-разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления, но достаточной для возбуждения и поддержания стационарного комбинированного разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления.

2. Способ по п.1, заключающийся в том, что источником электронов является объемный катод, возникающий в области, в которой совместно присутствуют сверхвысокочастотное электромагнитное поле и электростатическое поле.

3. Устройство для получения стационарного комбинированного разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления, содержащее цилиндрический резонатор, систему возбуждения, генератор СВЧ-энергии, блок подачи потенциала на обрабатываемый электропроводный объект, вакуумную систему и систему напуска газа, причем цилиндрический резонатор возбуждается волноводно-щелевой антенной, свернутой в кольцо, а положительный потенциал подается на обрабатываемый объект посредством держателя, расположенного в вакуумируемой части цилиндрического резонатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области методов и аппаратуры для создания низкотемпературной плазмы пониженного давления, формируемой вокруг оконечной части электропроводного объекта и может быть использовано для структурных изменений поверхности обрабатываемого объекта, увеличения его износостойкости, повышения адгезии покрытий, а также осаждения тонких пленок из газовой фазы.

Известны комбинированные разряды, возбуждаемые методом наложения сверхвысокочастотного электромагнитного поля на дуговой или коронный разряды при атмосферном давлении (Батенин В.М., Климовский И.И., Лысов Г.В., Троицкий В.Н. СВЧ-генераторы плазмы: Физика, техника, применение. М.: Энергоатомиздат, 1988 г., патент РФ №2166240, заявл. 27.04.99 г., МПК Н 05 Н 1/18 «Способ и устройство для получения неравновесной СВЧ-плазмы в газах высокого давления», Лысов Г.В. и др.), однако при пониженном давлении комбинированные разряды данного типа не могут быть реализованы из-за физической природы дугового или коронного разрядов.

Кроме того, известны условия пробоя газа и возбуждения стационарного безэлектродного СВЧ-разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления (Мак-Доналд А. Сверхвысокочастотный пробой в газах, пер. с англ. Савченко М.М. М.: Мир, 1969 г.), где основными процессами являются: ионизация, получаемая за счет столкновения с молекулами газа электронов, обладающих высокой скоростью колебательного движения; потери электронов в результате диффузии на стенки из разрядного промежутка, рекомбинации и прилипания к нейтральным молекулам. Пробой в газе наступает в определенной области пространства при условии, когда скорость образования электронов даже незначительно превышает скорость потерь, что приводит к резкому возрастанию их плотности. Минимальные пробойные поля в газах при непрерывном режиме генерации на частоте 2,8 ГГц соответствуют давлению 300 Па (Мак-Доналд А. Сверхвысокочастотный пробой в газах, пер. с англ. Савченко М.М. М.: Мир, 1969 г.), при импульсном на частоте 2,5 ГГц - давлению 3 Па (Райцын Д.Г., Электрическая прочность. М.: Советское радио, 1977 г.

Традиционные микроволновые плазменные технологии при пониженном давлении предполагают создание некоторого плазменного объема, который затем трансформируется и доставляется до обрабатываемого объекта. В таких системах зона плазмообразования и обрабатываемый объект могут быть значительно разнесены в пространстве, как, например, в установках ионного легирования. При этом большая часть потребляемой энергии затрачивается на создание плазмы и поддержание условий ее генерации, сепарации и доставки активных частиц с заданной энергией до объекта обработки с последующим сканированием пучка по поверхности. При обработке сложнопрофильных поверхностей такой способ формирования и доставки активных частиц плазмы к поверхности объекта не эффективен, т.к. выступающие элементы образуют тени при сканировании ионного пучка.

Предлагаемое изобретение позволяет осуществить эффективную обработку оконечной части электропроводного объекта сложной формы (далее обрабатываемый объект) с целью увеличения их износостойкости, повышения адгезии ранее нанесенных покрытий, а также осаждения тонких пленок из газовой фазы при малых затратах энергии.

Существо предлагаемого изобретения заключается в том, что на обрабатываемый объект, имеющий выступающие части или заостренные кромки, подается положительный потенциал, формирующий вокруг оконечной части объекта электростатическое поле, на которое накладывается сверхвысокочастотное электромагнитное поле на уровне СВЧ-мощности ниже необходимой для возбуждения и поддержания стационарного безэлектродного СВЧ-разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления, но достаточной для возбуждения и поддержания стационарного комбинированного разряда низкотемпературной плазмы пониженного давления.

Хаотичное тепловое движение электронов, осциллирующих со сверхвысокой частотой электромагнитного поля, в электростатическом поле приобретает направленное движение к положительному электроду (обрабатываемому объекту). Движение электронов в электростатическом поле ведет к наращиванию, как энергии, так и плотности электронов. В этих условиях вблизи оконечной части обрабатываемого объекта баланс электронов восстанавливается, их энергия и плотность возрастают и становятся достаточными для неупругого взаимодействия с тяжелыми частицами газа, тем самым создаются условия для пробоя газа и у оконечной части обрабатываемого объекта появляется светящаяся область плазмы стационарного комбинированного разряда, показанная на фиг.1, 2.

Несветящаяся часть пространства, в котором совместно присутствуют сверхвысокочастотное электромагнитное поле и электростатическое поле, является объемным катодом и постоянно подпитывает плазму электронами и отрицательными ионами.

В области внешней границы плазмы 1 (фиг.3) электромагнитная волна сильно затухает в скин-слое в результате эффективной передачи энергии поля электронам, которые в свою очередь передают накопленную энергию через неупругие столкновения тяжелым частицам плазмы. Дальнейший дрейф электронов от скин-слоя во внутреннем объеме 2 осуществляется только под действием нарастающего положительного электростатического поля. В этой области электроны наряду с элементарными процессами способны создавать новые свободные электроны в результате объемной ионизации. В области 3 происходит резкое нарастание электростатического поля, в результате чего процесс объемной ионизации газа перерастает в лавинообразный. Здесь положительные ионы запираются и создают пространственный заряд, который дополнительно ускоряет электроны. Плотность заряженных частиц в этой области увеличивается, а среднее расстояние между ними уменьшается так, что начинает проявляться кулоновское взаимодействие, приводящее к возникновению амбиполярной диффузии, в результате которой электроны начинают тормозиться ионами, а ионы ускоряться электронами, что приводит к формированию локальных потоков электронов и ионов, направленных к поверхности обрабатываемого объекта. Такой поток плазмы оказывает наибольшее воздействие на выступающие части обрабатываемой поверхности, острые кромки, неровности поверхности, где концентрация силовых линий электростатического поля максимальная. Эта область плазмы видна на фиг.2 как яркая полоска.

Управление энергией частиц в потоке плазмы осуществляется путем изменения СВЧ мощности, расположения обрабатываемого объекта и значения положительного потенциала, подаваемого на обрабатываемый объект.

Указанный способ реализован в устройстве, содержащем цилиндрический резонатор, внутренний вакуумируемый объем которого ограничен радиопрозрачным цилиндром, систему возбуждения, генератор СВЧ-энергии, источник питания генератора СВЧ-энергии, блок подачи потенциала на объект обработки, вакуумную систему, систему напуска газа, причем цилиндрический резонатор возбуждается волноводно-щелевой антенной, свернутой в кольцо, а положительный потенциал подается на обрабатываемый объект посредством держателя, расположенного в вакуумируемой части цилиндрического резонатора

Обрабатываемый объект 1, как показано на фиг.4, закрепляется в сменной цанге 2 держателя 3, расположенного в камере обработки 4. Часть поверхности обрабатываемого объекта и цанга 2 изолируются радиопрозрачным материалом 5, открытой остается поверхность, подлежащая обработке. Обрабатываемый объект и держатель определенным образом располагаются в камере обработки 4, которая откачивается с помощью вакуумной системы 6 до предельного давления и через систему газонапуска 7 в камере обработки устанавливается рабочее давление технологического газа, например азота. От блока подачи потенциала 8 через герметичный разъем 9, кабель с многослойными элементами защиты 10 и держатель 3 на обрабатываемый объект подается положительный потенциал, определенной величины. От генератора СВЧ-энергии 11 через волноводно-щелевую антенну, свернутую в кольцо, 12 в цилиндрическом резонаторе 13 возбуждаются сверхвысокочастотные электромагнитные колебания. При наложении электростатического и сверхвысокочастотного электромагнитного полей у оконечной части обрабатываемого объекта возникает комбинированный разряд пониженного давления 14.

В зависимости от энергии частиц плазмы можно проводить различные процессы: выглаживание поверхности, полимеризацию с образованием на поверхности плотноупакованной полимерной пленки, диффузионные процессы и легирование, что в совокупности ведет к структурным изменениям на поверхности и в приповерхностном слое обрабатываемого объекта. Результат - изменения микротвердости HV, омического сопротивления, шероховатости по Ra, структуры в объеме до 300 мкм, что приводит к повышению износостойкости поверхности обрабатываемого объекта.

Набор сменных цанг позволяет закрепить в держателе обрабатываемые объекты, например сверла, метчики, пальчиковые фрезы диаметром 0,6-15 мм.

Пример:

Цилиндрический резонатор диаметром 150 мм, длиной 320 мм возбуждается волноводно-щелевой антенной, которая представляет собой свернутый в кольцо волновод сечением 45×90 мм с прорезанными параллельно оси широкой стенки волновода восемью излучающими щелями размером 62×6 мм. На входе волноводно-щелевой антенны установлен рассекатель. В таком устройстве при подаче на сверло диаметром 0,6 мм потенциала 30 В, при рабочем давлении 300 Па, стационарный комбинированный разряд низкотемпературной плазмы возникает при подводимой СВЧ-мощности ˜20 Вт (анодный ток магнетрона 10-12 мА) на частоте 2450 МГц.