СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к вакуумной и твердотельной электронике, а более точно - способу нанесения однослойных покрытий, многослойных покрытий, многослойных многокомпонентных покрытий в вакууме и устройствам для осуществления этого способа.

Настоящее изобретение может быть использовано для изготовления тонких и сверхтонких пленок из металлов, полуметаллов, сплавов, диэлектриков, полупроводников и сверхпроводников, в микроэлектронике, наноэлектронике, для изготовления оптических покрытий ИК, УФ, видимого и рентгеновского диапазона, в машиностроении для изготовления упрочняющих покрытий, а также медицинской технике.

Ближайшим техническим решением является способ получения покрытий в вакууме, устройство для получения покрытий в вакууме, способ изготовления устройства для получения покрытий в вакууме (см., например, патент РФ 2176681). Указанный способ нанесения многослойного многокомпонентного покрытия в вакууме заключается в том, что

используют, по меньшей мере, два генератора плазмы твердых веществ,

изменяют напряжение на электродах каждого генератора плазмы твердых веществ в соответствии с процентным соотношением каждого из компонентов многослойного покрытия,

инжектируют в межэлектродный промежуток каждого генератора плазмы твердых веществ плазму, по меньшей мере, одного компонента наносимого покрытия и осуществляют поджиг импульсной вакуумной дуги в каждом межэлектродном промежутке,

возбуждают в межэлектродном промежутке каждого генератора плазмы импульсную вакуумную дугу, посредством чего на каждом катоде формируют множество катодных микропятен, которые служат источниками импульсных потоков плазмы, содержащих атомы, положительно заряженные ионы, электроны и капли вещества многокомпонентного покрытия,

при этом в межэлектродном промежутке каждого генератора плазмы формируется распределение потенциала в виде катодного скачка потенциала ΔUk и анодного скачка потенциала ΔUa,

накладывают на область каждой импульсной вакуумной дуги и на плазмовод каждого генератора плазмы продольное относительно оси генератора плазмы и оси плазмовода магнитное поле путем пропускания тока разряда соответствующей импульсной вакуумной дуги через соленоид анода и соленоид плазмовода каждого генератора плазмы,

прикладывают к корпусу плазмовода потенциал смещения U₁, посредством чего формируют поперечное электрическое поле,

транспортируют каждый полученный импульсный поток плазмы по соответствующему плазмоводу соответствующего генератора плазмы и при транспортировании отделяют капли и атомы рабочего вещества и ионы с энергией более, чем eU₁ вещества многокомпонентного покрытия,

смешивают полученные, по меньшей мере, два импульсных потока плазмы в камере смешения, к корпусу которой прикладывают потенциал смещения U₂, посредством чего формируют поперечное электрическое поле и продольное магнитное поле, получаемое путем пропускания тока разряда соответствующей импульсной вакуумной дуги через соленоид камеры смешения,

конденсируют полученную многокомпонентную смесь плазмы на подложку в виде многослойного многокомпонентного покрытия.

Согласно указанному способу, при транспортировке импульсных потоков плазмы по соответствующему плазмоводу для отделения капель, атомов веществ многокомпонентного покрытия большая часть ионов плазмы конденсируется на внутренней профилированной поверхности корпусов плазмоводов и лишь небольшая часть 0,1-1% конденсируется на подложке, образуя покрытие.

Низкая производительность способа обусловлена неэффективностью действия потенциального барьера для ионов, создаваемого потенциалом смещения U₁ у внутренней поверхности корпусов плазмоводов и потенциала смещения U₂ у внутренней поверхности корпуса камеры смешения.

Способ позволяет получить покрытие толщиной 0,1-0,01 Å в течение импульса вакуумной дуги длительностью 1 мсек. Для получения тонких пленок необходимо получать покрытия толщиной несколько Å за один импульс вакуумной дуги при неизменных других параметрах процесса.

Известное устройство для нанесения многокомпонентного покрытия в вакууме содержит

по меньшей мере, два генератора плазмы твердых веществ, соединенных посредством соответствующих плазмоводов с камерой смешения, на корпусе которой расположены соленоиды по количеству генераторов плазмы, каждый из которых содержит

полый анод радиусом r₂, внутри которого расположен катод радиусом r₁, торцевая поверхность которого предназначена для формирования катодных пятен импульсной вакуумной дуги, и

узел поджига импульсной вакуумной дуги в межэлектродном промежутке генератора плазмы твердых веществ, предназначенный для инжекции плазмы, по меньшей мере, одного компонента наносимого покрытия в межэлектродный промежуток и поджига импульсной вакуумной дуги,

при этом устройство содержит также

блок синхронизации, подключенный к каждому узлу поджига и предназначенный для управления режимом инжекции плазмы компонентов наносимого покрытия в межэлектродные промежутки,

емкостные накопители по количеству генераторов плазмы, соединенные с соответствующими электродами генератора плазмы и с клеммами соответствующих регулируемых источников питания,

при этом каждый плазмовод содержит полый корпус радиуса r₃ с профилированной внутренней поверхностью с шагом h профиля и соленоиды по числу генераторов плазмы, размещенные с внешней стороны корпуса по всей длине,

магнитная система каждого генератора плазмы содержит соленоид анода, соленоид плазмовода и соответствующий соленоид камеры смешения, которые включены согласно.

Указанное устройство имеет низкую производительность, что обусловлено неэффективностью энергетического барьера для ионов, создаваемого указанными выше потенциалами смещения U₁, U₂ при подключении корпусов плазмоводов и корпуса камеры смешения к емкостным накопителям. Толщина получаемого покрытия составляет 0,1-0,01 Å за один импульс вакуумно-дугового разряда длительностью 1 мсек, что недостаточно для использования устройства в технологии тонких пленок.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания способа нанесения многослойных многокомпонентных покрытий в вакууме, который позволит более чем в 100 раз повысить производительность и при этом снизить затраты энергии.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания устройства для нанесения многослойных многокомпонентных покрытий в вакууме, которое позволит более чем в 100 раз повысить производительность и при этом снизить затраты энергии.

Поставленная задача решается путем создания способа нанесения покрытия в вакууме, который заключается в том, что

используют один генератор плазмы твердых веществ,

подают напряжение на электроды генератора плазмы твердых веществ,

инжектируют в межэлектродный промежуток генератора плазмы твердых веществ плазму наносимого покрытия,

возбуждают в межэлектродном промежутке генератора плазмы импульсную вакуумную дугу, посредством чего на катоде формируют множество катодных микропятен, которые служат источниками импульсных потоков плазмы, содержащих атомы, положительно заряженные ионы, электроны и капли вещества покрытия,

при этом в межэлектродном промежутке генератора плазмы формируется распределение потенциала в виде катодного скачка потенциала ΔUk и анодного скачка потенциала ΔUa,

накладывают на область импульсной вакуумной дуги и на плазмовод генератора плазмы продольное относительно оси генератора плазмы и оси плазмовода магнитное поле путем пропускания тока разряда импульсной вакуумной дуги через соленоид анода и соленоид плазмовода генератора плазмы,

прикладывают к корпусу плазмовода потенциал смещения U₁, посредством чего формируют поперечное электрическое поле,

транспортируют полученный импульсный поток плазмы по плазмоводу генератора плазмы в камеру для нанесения покрытий и при транспортировании отделяют капли и атомы рабочего вещества и ионы с энергией более чем eU₁ вещества покрытия,

конденсируют полученную плазму на подложку в камере для нанесения покрытия в виде однослойного покрытия,

согласно изобретению

при наложении продольного магнитного поля на область импульсной вакуумной дуги используют магнитную пробку, так чтобы максимум величины магнитного поля Н_max магнитной пробки совпадал с областью катодных пятен, а минимум величины магнитного поля H_min магнитной пробки совпадал с анодной областью импульсной вакуумной дуги,

при транспортировании потока плазмы по плазмоводу в качестве потенциала смещения U₁ корпуса плазмовода используют анодный скачок потенциала ΔUa импульсной вакуумной дуги, для чего замыкают периферийные силовые линии магнитного поля магнитной пробки, расположенные в прианодной области, а также периферийные силовые линии соленоида плазмовода на выходной торец анода.

Полезно, чтобы в качестве катода использовали катод, состоящий из одного вещества, выбранного из группы, состоящей из металлов, полуметаллов и полупроводников.

Предпочтительно, чтобы в качестве катода использовали катод, состоящий из множества веществ, выбранных из группы, состоящей из сплавов металлов, сплавов металлов и полупроводников и их смесей.

Выгодно, чтобы направление магнитного поля в магнитной пробке было согласовано с направлением магнитного поля катодных микропятен путем выбора направления намотки соленоида анода.

Полезно, чтобы направление магнитного поля в магнитной пробке было согласовано с направлением магнитного поля катодных микропятен путем выбора направления тока разряда импульсной вакуумной дуги в соленоиде анода.

Целесообразно, чтобы величину отношения Н_min/H_max в магнитной пробке выбирали из условия

Н_min/H_max≤(r₁/r₂)²,

где r₁ - радиус катода генератора плазмы твердых веществ, r₂ - радиус анода генератора плазмы твердых веществ.

Полезно, чтобы поперечный размер L области замыкания магнитных полей соленоида анода и соленоида плазмовода на выходном торце анода выбирали из условий

L<10h, L=r₃-r₂

где h - величина шага профиля внутренней поверхности корпуса плазмовода; r₃ - радиус корпуса плазмовода.

Предпочтительно, чтобы выбирали плотность намотки N1 соленоида анода в области, соответствующей минимуму магнитного поля Н_min, и плотность N2 намотки соленоида плазмовода из условия

N1≥N2.

Целесообразно, чтобы плотность намотки N1 соленоида анода в соответствующей области минимума магнитного поля Н_min выбирали из условия

100/L₂<N1<1/L₂,

где L₂ - длина анода в области min магнитного поля Н_min магнитной пробки.

Полезно, чтобы в полученный импульсный поток плазмы в соответствии с составом наносимого покрытия инжектировали поток газообразного вещества в область, выбранную из группы, состоящей из области импульсной вакуумной дуги, плазмовода, камеры нанесения покрытия.

Предпочтительно, чтобы в качестве газообразного вещества использовали кислород, азот или их смеси.

Целесообразно, чтобы газообразное вещество инжектировали в импульсном режиме, при этом момент инжекции газообразного вещества опережает момент возбуждения импульсной вакуумной дуги на время τ = l/v,

где l - расстояние от места инжекции до подложки, v - скорость потока газообразного вещества,

при этом время τ₂ инжекции определяется выражением

τ₂=τ+τ₃,

где τ₃ - длительность импульса вакуумной дуги.

Полезно, чтобы концентрацию n1 газообразного вещества и концентрацию n2 плазмы в импульсном потоке устанавливали из условия n1/n2≤20.

Поставленная задача решается также путем создания способа нанесения многокомпонентного покрытия в вакууме, который заключается в том, что

используют, по меньшей мере, два генератора плазмы твердых веществ, катоды которых состоят из множества веществ, предназначенных для формирования многокомпонентного покрытия,

подают напряжение на электроды генераторов плазмы, при этом на каждом генераторе устанавливают величину подаваемого напряжения в соответствии с процентным соотношением каждого из компонентов в формируемом покрытии,

инжектируют одновременно в межэлектродный промежуток каждого генератора плазмы твердых веществ плазму соответствующего компонента наносимого покрытия и осуществляют поджиг импульсной вакуумной дуги в каждом межэлектродном промежутке,

возбуждают одновременно в межэлектродном промежутке каждого генератора плазмы импульсную вакуумную дугу, посредством чего на каждом катоде формируют множество катодных микропятен, которые служат источниками импульсных потоков плазмы, содержащих атомы, положительно заряженные ионы, электроны и капли вещества многокомпонентного покрытия,

при этом в межэлектродном промежутке каждого генератора плазмы формируется распределение потенциала в виде катодного скачка потенциала ΔUk и анодного скачка потенциала ΔUa,

накладывают на область каждой импульсной вакуумной дуги и на плазмовод каждого генератора плазмы продольное относительно оси генератора плазмы и оси плазмовода магнитное поле путем пропускания тока разряда соответствующей импульсной вакуумной дуги через соленоид анода и соленоид плазмовода каждого генератора плазмы,

прикладывают к корпусу каждого плазмовода потенциал смещения U₁, посредством чего формируют поперечное электрическое поле,

транспортируют каждый полученный импульсный поток плазмы по соответствующему плазмоводу соответствующего генератора плазмы в камеру смешения и при транспортировании отделяют капли и атомы рабочего вещества и ионы с энергией более чем eU₁ вещества многокомпонентного покрытия,

смешивают полученные, по меньшей мере, два импульсных потока плазмы в камере смешения, соединенной с камерой для нанесения покрытий, при этом к корпусу камеры смешения прикладывают потенциал смещения U₂, посредством чего формируют поперечное электрическое поле и продольное магнитное поле, получаемое путем пропускания тока разряда соответствующих импульсных вакуумных дуг через соленоиды камеры смешения,

конденсируют полученную многокомпонентную смесь плазмы на подложку в камере для нанесения покрытий в виде однослойного многокомпонентного покрытия,

согласно изобретению

при наложении продольного магнитного поля на область каждой импульсной вакуумной дуги используют магнитную пробку, так что максимум величины магнитного поля Н_max магнитной пробки совпадал с областью катодных пятен, а минимум величины магнитного поля H_min магнитной пробки совпадал с анодной областью импульсной вакуумной дуги,

при транспортировании потока плазмы в качестве потенциала смещения U₁ корпуса каждого плазмовода используют анодный скачок потенциала ΔUa соответствующей импульсной вакуумной дуги,

а при смешении, по меньшей мере, двух импульсных потоков плазмы в камере смешения используют в качестве потенциала смещения U₂ анодные скачки потенциала ΔUa анодных областей соответствующих импульсных вакуумных дуг, для чего замыкают периферийные силовые линии магнитного поля каждой магнитной пробки, расположенные в прианодной области, а также периферийные силовые линии соленоида каждого из плазмоводов на выходной торец соответствующего анода.

Целесообразно, чтобы в качестве катодов использовали катоды, состоящие из одного вещества, выбранного из группы, состоящей из металлов, полуметаллов и полупроводников.

Полезно, чтобы в качестве катодов использовали катоды, состоящие из множества веществ, выбранных из группы, состоящей из сплавов металлов, сплавов металлов и полупроводников и их смеси.

Предпочтительно, чтобы направление магнитного поля в каждой магнитной пробке было согласовано с направлением магнитного поля катодных микропятен путем выбора направления намотки соленоида каждого анода.

Выгодно, чтобы направление магнитного поля в каждой магнитной пробке было согласовано с направлением магнитного поля катодных микропятен путем выбора направления тока разряда каждой импульсной вакуумной дуги в соленоиде каждого анода.

Полезно также, чтобы величину отношения Н_min/H_max в каждой магнитной пробке выбирали из условия

Н_min/H_max≤(r₁/r₂)²,

где r₁ - радиус катода генератора плазмы твердых веществ, r₂ - радиус анода генератора плазмы твердых веществ.

Предпочтительно, чтобы поперечный размер L области замыкания магнитных полей соленоида анода и соответствующего соленоида плазмовода на выходном торце каждого из анодов выбирали из условий

L<10h, L=r₃-r₂

где h - величина шага профиля внутренней поверхности корпуса плазмовода; r₃ - радиус корпуса плазмовода.

Целесообразно, чтобы выбирали плотность N1 намотки соленоида каждого анода в области, соответствующей минимуму магнитного поля Н_min, плотность N2 намотки соленоида каждого плазмовода и плотность N3 намотки каждого соленоида камеры смешения из условий

N1≥N2, N1=N3≤N1/K,

где K - количество генераторов плазмы твердых веществ в устройстве.

Полезно, чтобы плотность N1 намотки соленоида каждого анода в соответствующей области минимума магнитного поля Н_min выбирали из условия

100/L₂<N1<1/L₂,

где L₂ - длина анода в области min магнитного поля Н_min магнитной пробки.

Выгодно, чтобы в полученные импульсные потоки плазмы в соответствии с составом наносимого покрытия инжектировали потоки газообразного вещества в область, выбранную из группы, состоящей из областей импульсных вакуумных дуг, плазмоводов, камеры смешения, камеры нанесения покрытия.

Предпочтительно, чтобы в качестве газообразного вещества использовали кислород, азот или их смеси.

Полезно, чтобы газообразное вещество инжектировали в импульсном режиме, при этом момент инжекции газообразного вещества опережает момент возбуждения соответствующей импульсной вакуумной дуги на время τ=l/v,

где l - расстояние от места инжекции до подложки, v - скорость потока газообразного вещества,

при этом время τ₂ инжекции определяется выражением

τ₂=τ+τ₃,

где τ₃ - длительность соответствующего импульса вакуумной дуги.

Выгодно, чтобы концентрацию n1 газообразного вещества и концентрацию n2 плазмы в соответствующем импульсном потоке устанавливали из условия n1/n2≤20.

Поставленная задача решается также путем создания способа нанесения многослойного многокомпонентного покрытия в вакууме, который заключается в том, что

используют, по меньшей мере, два генератора плазмы твердых веществ, катоды которых состоят из множества веществ, предназначенных для формирования многослойного многокомпонентного покрытия,

подают напряжение на электроды генераторов плазмы, при этом на каждом генераторе устанавливают величину подаваемого напряжения в соответствии с процентным соотношением каждого из компонентов в формируемом покрытии,

изменяют величину напряжения, подаваемого на электроды каждого генератора плазмы от импульса к импульсу или от серии импульсов к серии импульсов, в течение которой формируется слой многослойного многокомпонентного покрытия в соответствии с процентным соотношением каждого из компонентов покрытия,

инжектируют в межэлектродный промежуток каждого генератора плазмы твердых веществ плазму соответствующего компонента наносимого покрытия и осуществляют поджиг импульсной вакуумной дуги в каждом межэлектродном промежутке,

возбуждают в межэлектродном промежутке каждого генератора плазмы импульсную вакуумную дугу, посредством чего на каждом катоде формируют множество катодных микропятен, которые служат источниками импульсных потоков плазмы, содержащих атомы, положительно заряженные ионы, электроны и капли вещества многослойного многокомпонентного покрытия,

при этом в межэлектродном промежутке каждого генератора плазмы формируется распределение потенциала в виде катодного скачка потенциала ΔUk и анодного скачка потенциала ΔUa,

накладывают на область каждой импульсной вакуумной дуги и на плазмовод каждого генератора плазмы продольное относительно оси генератора плазмы и оси плазмовода магнитное поле путем пропускания тока разряда соответствующей импульсной вакуумной дуги через соленоид анода и соленоид плазмовода каждого генератора плазмы,

прикладывают к корпусу каждого плазмовода потенциал смещения U₁, посредством чего формируют поперечное электрическое поле,

транспортируют каждый полученный импульсный поток плазмы по соответствующему плазмоводу соответствующего генератора плазмы в камеру смешения и при транспортировании отделяют капли и атомы рабочего вещества и ионы с энергией более чем eU₁ вещества многослойного многокомпонентного покрытия,

смешивают полученные, по меньшей мере, два импульсных потока плазмы в камере смешения, соединенной с камерой для нанесения покрытий, при этом к корпусу камеры смешения прикладывают потенциал смещения U₂, посредством чего формируют поперечное электрическое поле и продольное магнитное поле, получаемое путем пропускания тока разряда соответствующей импульсной вакуумной дуги через один из соленоидов камеры смешения,

конденсируют полученную многокомпонентную смесь плазмы на подложку в виде многослойного многокомпонентного покрытия,

согласно изобретению

при наложении продольного магнитного поля на область каждой импульсной вакуумной дуги используют магнитную пробку, так что максимум величины магнитного поля Н_max магнитной пробки совпадал с областью катодных пятен, а минимум величины магнитного поля H_min магнитной пробки совпадал с анодной областью импульсной вакуумной дуги,

при транспортировании потока плазмы в качестве потенциала смещения U₁ корпуса каждого плазмовода используют анодный скачок потенциала ΔUa соответствующей импульсной вакуумной дуги,

а при смешении, по меньшей мере, двух импульсных потоков плазмы в камере смешения используют в качестве потенциала смещения U₂ анодные скачки потенциала ΔUa анодных областей соответствующих импульсных вакуумных дуг, для чего замыкают периферийные силовые линии магнитного поля каждой магнитной пробки, расположенные в прианодной области, а также периферийные силовые линии соленоида каждого из плазмоводов на выходной торец соответствующего анода.

Целесообразно, чтобы в качестве катодов использовали катоды, состоящие из одного вещества, выбранного из группы, состоящей из металлов, полуметаллов и полупроводников.

Полезно, чтобы в качестве катодов использовали катоды, состоящие из множества веществ, выбранных из группы, состоящей из сплавов металлов, сплавов металлов и полупроводников и их смеси.

Выгодно, чтобы направление магнитного поля в каждой магнитной пробке было согласовано с направлением магнитного поля катодных микропятен путем выбора направления намотки соленоида каждого анода.

Предпочтительно, чтобы направление магнитного поля в каждой магнитной пробке было согласовано с направлением магнитного поля катодных микропятен путем выбора направления тока разряда каждой импульсной вакуумной дуги в соленоиде каждого анода.

Полезно также, чтобы величину отношения Н_min/H_max в каждой магнитной пробке выбирали из условия

Н_min/H_max≤(r₁/r₂)²,

где r₁ - радиус катода генератора плазмы твердых веществ, r₂ - радиус анода генератора плазмы твердых веществ.

Выгодно, чтобы поперечный размер L области замыкания магнитных полей соленоида анода и соответствующего соленоида плазмовода на выходном торце каждого из анодов выбирали из условий

L<10h, L=r₃-r₂

где h - величина шага профиля внутренней поверхности корпуса плазмовода; r₃ - радиус корпуса плазмовода.

Полезно также, чтобы выбирали плотность N1 намотки соленоида каждого анода в области, соответствующей минимуму магнитного поля Н_min, плотность N2 намотки соленоида каждого плазмовода и плотность N3 намотки каждого соленоида камеры смешения из условий

N1≥N2, N1=N3≤N1/K,

где K - количество генераторов плазмы твердых веществ в устройстве.

Целесообразно, чтобы плотность N1 намотки соленоида каждого анода в соответствующей области минимума магнитного поля Н_min выбирали из условия

100/L₂<N1<1/L₂,

где L₂ - длина анода в области min магнитного поля Н_min магнитной пробки.

Выгодно, чтобы в полученные импульсные потоки плазмы в соответствии с составом наносимого покрытия инжектировали потоки газообразного вещества в область, выбранную из группы, состоящей из областей импульсных вакуумных дуг, плазмовода, камеры смешения, камеры нанесения покрытия.

Предпочтительно, чтобы в качестве газообразного вещества использовали кислород, азот или их смеси.

Полезно, чтобы газообразное вещество инжектировали в импульсном режиме, при этом момент инжекции газообразного вещества опережает момент возбуждения соответствующей импульсной вакуумной дуги на время τ= l/v,

где l - расстояние от места инжекции до подложки, v - скорость потока газообразного вещества,

при этом время τ₂ инжекции определяется выражением

τ₂=τ+τ₃,

где τ₃ - длительность соответствующего импульса вакуумной дуги.

Выгодно, чтобы концентрацию n1 газообразного вещества и концентрацию n2 плазмы в соответствующем импульсном потоке устанавливали из условия n1/n2≤20.

Поставленная задача решается также путем создания устройства для нанесения покрытий в вакууме, содержащего

генератор плазмы твердых веществ, соединенный посредством плазмовода с камерой для нанесения покрытий и содержащий

полый анод радиусом r₂, внутри которого расположен катод радиусом r₁, торцевая поверхность которого предназначена для формирования катодных пятен импульсной вакуумной дуги, и

узел поджига импульсной вакуумной дуги в межэлектродном промежутке генератора плазмы твердых веществ, предназначенный для инжекции плазмы наносимого покрытия в межэлектродный промежуток и поджига импульсной вакуумной дуги,

а устройство содержит также

емкостной накопитель, соединенный с электродами генератора плазмы и с клеммами источника питания,

при этом плазмовод содержит полый корпус радиуса r₃ с профилированной внутренней поверхностью с шагом h профиля и соленоид, размещенный с внешней стороны корпуса по всей длине,

при этом магнитная система генератора плазмы содержит соленоид анода, соленоид плазмовода, которые включены согласно,

согласно изобретению

обмотка соленоида анода имеет различную плотность намотки, так что максимальная плотность N_max намотки расположена в области анода, соответствующей торцевой рабочей поверхности катода, а минимальная плотность N_min намотки расположена над оставшейся частью анода длиной L₂,

при этом поперечные размеры анода и соленоида анода, а также корпуса плазмовода и соленоида плазмовода выбраны так, что периферийные силовые линии магнитного поля соленоида анода в области, соответствующей минимальной плотности намотки соленоида анода и соленоида плазмовода, замыкаются на торец анода.

Целесообразно, чтобы в качестве катода использовали катод, состоящий из одного вещества, выбранного из группы, состоящей из металлов, полуметаллов и полупроводников.

Полезно, чтобы в качестве катода использовали катод, состоящий из множества веществ, выбранных из группы, состоящей из сплавов металлов, сплавов металлов и полупроводников и их смесей.

Предпочтительно, чтобы поперечный размер L области замыкания магнитного поля соленоида анода и соленоида плазмовода на выходном торце анода отвечал условиям

L<10h, L=r₃-r₂

где h - величина шага профиля внутренней поверхности корпуса плазмовода.

Выгодно, чтобы направление магнитного поля в магнитной пробке было согласовано с направлением магнитного поля катодных микропятен путем выбора направления намотки соленоида анода.

Полезно, чтобы направление магнитного поля в магнитной пробке было согласовано с направлением магнитного поля катодных микропятен путем выбора направления тока разряда импульсной вакуумной дуги в соленоиде анода.

Предпочтительно, чтобы величина отношения плотности N_min намотки в области минимума магнитного поля магнитной пробки к плотности N_max намотки в области максимума магнитного поля магнитной пробки N_min/N_max в соленоиде анода выбиралась из условия

N_min/N_max≤(r₁/r₂)².

Полезно, чтобы выбирали плотность N1 намотки соленоида анода в области, соответствующей минимуму магнитного поля Н_min, плотность N2 намотки соленоида плазмовода из условия

N1≥N2.

Выгодно, чтобы анод был профилирован в поперечном сечении в соответствии с плотностью намотки соленоида анода и содержал цилиндрическую и коническую части, при этом коническая часть имела максимальную плотность намотки, а цилиндрическая часть имела минимальную плотность намотки.

Предпочтительно, чтобы в качестве плазмовода был использован плазмовод, выбранный из группы, состоящей из плазмовода с прямолинейной осью и плазмовода с криволинейной осью и их сочетания.

Полезно, чтобы генератор был установлен под углом α к оси плазмовода с прямолинейной осью, при этом угол α определялся из условия

α=arctg(r₁+r₂)/L₃+arctg(2r₃-L)/L₄,

где L₃ - расстояние между торцевой поверхностью катода и выходным торцом анода, L₄ - длина прямолинейного плазмовода.

Целесообразно, чтобы устройство содержало натекатель газообразного вещества, расположенный в области, выбранной из группы, состоящей из генератора плазмы, плазмовода и камеры нанесения покрытий.

Поставленная задача решается также путем создания устройства для нанесения многокомпонентного покрытия в вакууме, содержащего

по меньшей мере, два генератора плазмы твердых веществ, соединенных посредством соответствующих плазмоводов с камерой смешения, соединенной с камерой для нанесения покрытий, при этом на корпусе камеры смешения расположены соленоиды по количеству генераторов плазмы, каждый из которых содержит

полый анод радиусом r₂, внутри которого расположен катод радиусом r₁, торцевая поверхность которого предназначена для формирования катодных пятен импульсной вакуумной дуги, и

множество узлов поджига импульсной вакуумной дуги в межэлектродных промежутках соответствующих генераторов плазмы твердых веществ по количеству генераторов плазмы, каждый из которых предназначен для инжекции плазмы, по меньшей мере, одного компонента наносимого покрытия в межэлектродный промежуток и поджига импульсной вакуумной дуги,

а устройство содержит также

блок синхронизации, подключенный к каждому узлу поджига импульсной вакуумной дуги и предназначенный для управления режимом одновременной инжекции плазмы компонентов наносимого покрытия в межэлектродные промежутки,

емкостные накопители по количеству генераторов плазмы, соединенные с соответствующими электродами генератора плазмы и с клеммами соответствующих регулируемых источников питания,

при этом каждый плазмовод содержит полый корпус радиуса r₃ с профилированной внутренней поверхностью с шагом h профиля и соленоиды по числу генераторов плазмы, размещенные с внешней стороны корпуса по всей длине,

при этом магнитная система каждого генератора плазмы содержит соленоид анода, соленоид плазмовода и соответствующий соленоид камеры смешения, которые включены согласно,

согласно изобретению

обмотка соленоида анода имеет различную плотность намотки, так что максимальная плотность N_max намотки расположена в области анода, соответствующей торцевой рабочей поверхности катода, а минимальная плотность намотки N_min расположена над оставшейся частью анода длиной L₂,

при этом поперечные размеры анодов и соленоидов анодов, а также корпусов плазмоводов и соленоидов плазмоводов выбраны так, что периферийные силовые линии магнитного поля каждого соленоида анода в области, соответствующей минимальной плотности намотки соленоида анода и каждого соленоида плазмовода, замыкаются на торец соответствующего анода.

Целесообразно, чтобы в качестве катодов были использованы катоды, состоящие из одного вещества, выбранного из группы, состоящей из металлов, полуметаллов и полупроводников.

Полезно, чтобы в качестве катодов были использованы катоды, состоящие из множества веществ, выбранных из группы, состоящей из сплавов металлов, сплавов металлов и полупроводников и их смеси.

Предпочтительно, чтобы устройство содержало дополнительный электрод, состоящий из частей по числу плазмоводов, размещенный между корпусом камеры смешения и корпусами плазмоводов, электрически от них изолированный и подсоединенный к аноду соответствующего генератора, и предназначенный для замыкания периферийных силовых линий магнитного поля каждого соленоида камеры смешения и соленоида соответствующего плазмовода.

Выгодно, чтобы поперечный размер L области замыкания магнитных полей соленоида анода и соответствующего соленоида плазмовода на выходном торце каждого анода отвечал условиям

L<10h, L=r₃-r₂

где h - величина шага профиля внутренней поверхности корпуса плазмовода.

Целесообразно, чтобы направление магнитного поля в каждой магнитной пробке было согласовано с направлением магнитного поля катодных микропятен путем выбора направления намотки соленоида каждого анода.

Полезно, чтобы направление магнитного поля в каждой магнитной пробке было согласовано с направлением магнитного поля катодных микропятен путем выбора направления тока разряда импульсной вакуумной дуги в соленоиде каждого анода.

Предпочтительно, чтобы величина отношения плотности N_min намотки в области минимума магнитного поля магнитной пробки к плотности N_max намотки в области максимума магнитного поля магнитной пробки N_min/N_max в соленоиде каждого анода выбиралась из условия

N_min/N_max≤(r₁/r₂)².

Полезно, чтобы выбирали плотность N1 намотки соленоида каждого анода в области, соответствующей минимуму магнитного поля Н_min, плотность N2 намотки соленоида каждого плазмовода и плотность N3 намотки каждого соленоида камеры смешения из условий

N1≥N2, N1=N3≤N1/K,

где K - количество генераторов плазмы твердых веществ в устройстве.

Выгодно, чтобы каждый анод был профилирован в поперечном сечении в соответствии с плотностью намотки соответствующего соленоида анода и содержал цилиндрическую и коническую части, при этом коническая часть имела максимальную плотность намотки, а цилиндрическая часть имела минимальную плотность намотки.

Целесообразно, чтобы в качестве плазмовода был использован плазмовод, выбранный из группы, состоящей из плазмовода с прямолинейной осью и плазмовода с криволинейной осью и их сочетания.

Полезно, чтобы, по меньшей мере, один генератор был установлен под углом α к оси плазмовода с прямолинейной осью, при этом угол α определялся из условия

α=arctg(r₁+r₂)/L₃+arctg (2r₃-L)/L₄

где L₃ - расстояние между торцевой поверхностью катода и выходным торцом анода, L₄ - длина плазмовода с прямолинейной осью.

Выгодно, чтобы устройство содержало, по меньшей мере, два натекателя газообразного вещества, расположенные в области, выбранной из группы, состоящей из генераторов плазмы, плазмоводов, камеры смешения и камеры нанесения покрытий.

Полезно, чтобы блок синхронизации был подключен к каждому импульсному натекателю для управления режимом инжекции газообразных веществ.

Поставленная задача решается также путем создания устройства для нанесения многослойного многокомпонентного покрытия в вакууме, содержащего,

по меньшей мере, два генератора плазмы твердых веществ, соединенных посредством соответствующих плазмоводов с камерой смешения, соединенной с камерой для нанесения покрытий, при этом на корпусе камеры смешения расположены соленоиды по количеству генераторов плазмы, каждый из которых содержит

полый анод радиусом r₂, внутри которого расположен катод радиусом r₁, торцевая поверхность которого предназначена для формирования катодных пятен импульсной вакуумной дуги, и

множество узлов поджига импульсной вакуумной дуги в межэлектродных промежутках соответствующих генераторов плазмы твердых веществ, предназначенные для инжекции плазмы, по меньшей мере, одного компонента наносимого покрытия в межэлектродный промежуток и поджига импульсной вакуумной дуги,

а устройство содержит также

блок синхронизации, подключенный к каждому узлу поджига импульсной вакуумной дуги и предназначенный для управления режимом инжекции плазмы компонентов наносимого покрытия в межэлектродные промежутки,

емкостные накопители по количеству генераторов плазмы, соединенные с соответствующими электродами генератора плазмы и с клеммами соответствующих регулируемых источников питания,

при этом каждый плазмовод содержит полый корпус радиуса r₃ с профилированной внутренней поверхностью с шагом h профиля и соленоиды по числу генераторов плазмы, размещенные с внешней стороны корпуса по всей длине,

при этом магнитная система каждого генератора плазмы содержит соленоид анода, соленоид плазмовода и соответствующий соленоид камеры смешения, которые включены согласно,

согласно изобретению

обмотка соленоида каждого анода имеет различную плотность намотки, так что максимальная плотность N_max намотки расположена в области анода, соответствующей торцевой рабочей поверхности катода, а минимальная плотность N_min намотки расположена над оставшейся частью анода длиной L₂,

при этом поперечные размеры анодов и соленоидов анодов, а также корпусов плазмоводов и соленоидов плазмоводов выбраны так, что периферийные силовые линии магнитного поля соленоида анода в области, соответствующей минимальной плотности намотки соленоида анода и каждого соленоида плазмовода, замыкаются на торец соответствующего анода.

Целесообразно, чтобы в качестве катодов были использованы катоды, состоящие из одного вещества, выбранного из группы, состоящей из металлов, полуметаллов и полупроводников.

Полезно, чтобы в качестве катодов были использованы катоды, состоящие из множества веществ, выбранных из группы, состоящей из сплавов металлов, сплавов металлов и полупроводников и их смеси.

Выгодно, чтобы поперечные размеры L области замыкания магнитных полей соленоида анода и соответствующего соленоида плазмовода на выходном торце каждого анода отвечали условиям

L<10h, L=r₃-r₂

где h - величина шага профиля внутренней поверхности корпуса плазмовода.

Предпочтительно, чтобы направление магнитного поля в каждой магнитной пробке было согласовано с направлением магнитного поля катодных микропятен путем выбора направления намотки соленоида каждого анода.

Полезно, чтобы направление магнитного поля в каждой магнитной пробке было согласовано с направлением магнитного поля катодных микропятен путем выбора направления тока разряда импульсной вакуумной дуги в соленоиде каждого анода.

Предпочтительно, чтобы величина отношения плотности N_min намотки в области минимума магнитного поля магнитной пробки к плотности N_max намотки в области максимума магнитного поля магнитной пробки N_min/N_max в соленоиде каждого анода выбиралась из условия

N_min/N_max≤(r₁/r₂)².

Целесообразно, чтобы выбирали плотность N1 намотки соленоида каждого анода в области, соответствующей минимуму магнитного поля Н_min, плотность N2 намотки соленоида каждого плазмовода и плотность N3 намотки каждого соленоида камеры смешения из условий

N1≥N2, N1=N3≤N1/K,

где K - количество генераторов плазмы твердых веществ в устройстве.

Выгодно, чтобы каждый анод был профилирован в поперечном сечении в соответствии с плотностью намотки соответствующего соленоида анода и содержал цилиндрическую и коническую части, при этом коническая часть имела максимальную плотность намотки, а цилиндрическая часть имела минимальную плотность намотки.

Полезно, чтобы в качестве плазмовода был использован плазмовод, выбранный из группы, состоящей из плазмовода с прямолинейной осью и плазмовода с криволинейной осью и их сочетания.

Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, один генератор был установлен под углом α к оси плазмовода с прямолинейной осью, при этом угол α определялся из условия

α=arctg(r₁+r₂)/L₃+arctg(2r₃-L)/L₄,

где L₃ - расстояние между торцевой поверхностью катода и выходным торцом анода, L₄ - длина плазмовода с прямолинейной осью.

Выгодно, чтобы устройство содержало дополнительный электрод, состоящий из частей по количеству плазмоводов, размещенный между корпусом камеры смешения и корпусами плазмоводов, электрически от них изолированный и подсоединенный к аноду соответствующего генератора плазмы, и предназначенный для замыкания периферийных силовых линий магнитного поля каждого соленоида камеры смешения и соленоидов соответствующего плазмовода.

Полезно, чтобы устройство содержало, по меньшей мере, два натекателя газообразного вещества, расположенные в области, выбранной из группы, состоящей из генераторов плазмы, плазмоводов, камеры смешения и камеры нанесения покрытий.

Предпочтительно, чтобы блок синхронизации был подключен к каждому импульсному натекателю для управления режимом инжекции газообразных веществ.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает общий вид устройства для нанесения однослойного покрытия в вакууме с плазмоводом с криволинейной винтовой осью согласно изобретению;

Фиг.2 - другой вариант выполнения устройства для нанесения однослойного покрытия в вакууме с плазмоводом с тороидальной осью согласно изобретению;

Фиг.3 - схему генератора плазмы твердых веществ (продольный разрез) и диаграмму распределения потенциала в межэлектродном промежутке согласно изобретению;

Фиг.4 - общий вид устройства для нанесения однослойного или многослойного покрытия в вакууме с тремя плазмоводами с прямолинейной осью согласно изобретению;

Фиг.5 - общий вид устройства для нанесения однослойного или многослойного покрытия в вакууме с двумя плазмоводами, представляющими собой сочетание плазмовода с прямолинейной осью и плазмовода с криволинейной осью согласно изобретению;

Фиг.6 - схему части устройства для нанесения однослойного покрытия в вакууме с плазмоводом с прямолинейной осью и генератором плазмы, размещенным под углом α к оси плазмовода согласно изобретению;

Фиг.7 - общий вид устройства для нанесения однослойного или многослойного многокомпонентного покрытия в вакууме с двумя плазмоводами с криволинейной тороидальной осью согласно изобретению;

Фиг.8 - общий вид устройства для нанесения многослойного многокомпонентного покрытия в вакууме с тремя плазмоводами с криволинейной винтовой осью согласно изобретению;

Фиг.9 - разрез по линии IX-IX на фиг.8 согласно изобретению;

Фиг.10 - общий вид устройства для нанесения многослойного многокомпонентного покрытия в вакууме с тремя плазмоводами, представляющими собой сочетание плазмовода с прямолинейной осью и плазмовода с криволинейной винтовой осью согласно изобретению;

Фиг.11 - схему генератора плазмы твердых веществ (продольный разрез) и схему распределения магнитных линий соленоида анода и соленоида плазмовода, а также диаграмму распределения магнитного поля в магнитной пробке согласно изобретению;

Фиг.12 - диаграммы функции распределения ионов по энергии W (эв) для однократно ионизованных, двукратно ионизованных и трехкратно ионизованных атомов алюминия согласно изобретению;

Фиг.13a, 13b - диаграммы импульсов инжекции газообразного вещества вводимого газа в импульсный поток плазмы для получения однослойного однокомпонентного покрытия согласно изобретению;

Фиг.14a, 14b, 14c - диаграммы импульсов трех импульсных потоков плазмы для получения однослойного многокомпонентного покрытия согласно изобретению;

Фиг.15a, 15b, 15c, 15d - диаграммы импульсов инжекции газообразного вещества вводимого газа в три импульсных потока плазмы для получения однослойного многокомпонентного покрытия согласно изобретению;

Фиг.16a, 16b, 16c - диаграммы импульсов трех импульсных потоков плазмы для получения многослойного многокомпонентного покрытия согласно изобретению;

Фиг.17a, 17b, 17c, 17d - диаграммы импульсов инжекции газообразного вещества вводимого газа в три импульсных потока плазмы для получения многослойного многокомпонентного покрытия согласно изобретению.

В первом варианте воплощения изобретения, представленном на фиг.1, устройство для нанесения покрытий в вакууме содержит генератор 1 плазмы твердых веществ, соединенный посредством плазмовода 2 с камерой 3 для нанесения покрытий. Генератор 1 плазмы твердых веществ содержит полый анод 4 (фиг.2) радиусом r₂, внутри которого расположен катод 5 радиусом r₁, торцевая поверхность 6 которого предназначена для формирования катодных пятен импульсной вакуумной дуги. Узел 7 поджига импульсной вакуумной дуги размещен в межэлектродном промежутке 8 генератора 1 плазмы твердых веществ и предназначен для инжекции плазмы наносимого покрытия в межэлектродный промежуток 8 и поджига импульсной вакуумной дуги.

Устройство содержит также емкостной накопитель 9 (показан схематично), соединенный с электродами 4,5 генератора плазмы и с клеммами 10, 11 источника 12 питания.

Плазмовод 2 содержит полый корпус 13 радиуса r₃ с профилированной внутренней поверхностью 14 (фиг.2) с шагом h профиля (показан частично) и соленоид 15, размещенный с внешней стороны корпуса 13 по всей длине.

Магнитная система генератора 1 плазмы содержит соленоид 16 (фиг.2) анода, соленоид 15 плазмовода, которые включены согласно.

В описываемом варианте выполнения изобретения катод 5 генератора 1 плазмы заземлен. Однако возможен вариант выполнения, когда оба электрода - катод 5 и анод 4 - не заземлены.

Обмотка соленоида 16 анода имеет различную плотность намотки, так что максимальная плотность N_max намотки расположена в области анода 4, соответствующей торцевой поверхности катода 5, а минимальная плотность N_min намотки расположена над оставшейся частью анода 4 длиной L₂.

При этом поперечные размеры анода 4 и соленоида 16 анода, а также корпуса 13 плазмовода и соленоида 15 плазмовода выбраны так, что периферийные силовые линии магнитного поля соленоида 16 анода в области, соответствующей минимальной плотности намотки соленоида 16 анода и соленоида 15 плазмовода, замыкаются на торец 17 анода.

В качестве катодов 5 использованы катоды, состоящие из одного вещества, выбранного из группы, состоящей из металлов, например рубидий, цезий, магний, кальций, иттрий, лантан, титан, цирконий; полуметаллов, например висмут, графит; и полупроводников, например кремний, германий, бор; полупроводниковых соединений, например InSb, AsGa; либо из множества веществ, выбранных из группы, состоящей из сплавов металлов, например карбиды, бориды, оксиды, карбиды сплавов металлов и полупроводников, силициды, соединения германия и их смеси.

Поперечный размер L области замыкания магнитного поля соленоида анода, расположенной в области торцевой поверхности 6 катода, и соленоида 15 плазмовода на выходном торце 17 анода 4 отвечает условиям

L<10h, L=r₃-r₂

где h - величина шага профиля внутренней поверхности 14 корпуса плазмовода 2.

Направление магнитного поля в указанной магнитной пробке согласуется с направлением магнитного поля катодных микропятен путем выбора направления намотки соленоида 16 анода или путем выбора направления тока разряда импульсной вакуумной дуги в соленоиде 16 анода.

Согласование направления магнитного поля в магнитной пробке с направлением магнитного поля катодных микропятен обусловлено тем, что токоперенос в катодных пятнах осуществляется в основном заряженными частицами одного знака, поэтому в них магнитное поле имеет одно направление.

Величина отношения плотности N_min намотки в области минимума магнитного поля магнитной пробки к плотности N_max намотки в области максимума магнитного поля магнитной пробки N_min/N_max в соленоиде анода выбирается из условия

N_min/N_max≤(r₁/r₂)².

Выбирают плотность N1 намотки соленоида 16 анода в области, соответствующей минимуму магнитного поля Н_min, плотность N2 намотки соленоида 15 плазмовода из условия

N1≥N2.

Возможны два варианта формирования магнитной пробки. В первом случае анод 4 не профилирован в поперечном сечении. Во втором случае анод 4 (фиг.3) профилирован в поперечном сечении в соответствии с плотностью намотки соленоида 16 анода и содержит цилиндрическую часть 18 и коническую часть 19, при этом коническая часть 19 имеет максимальную плотность N_max намотки, а цилиндрическая часть 18 имеет минимальную плотность N_min намотки.

Наличие конической части 19 позволяет более эффективно при меньшей величине N_max реализовать условие

N_min/N_max≤(r₁/r₂)².

В качестве плазмовода 2 может быть использован плазмовод, выбранный из группы, состоящей из плазмовода 20 (фиг.4) с прямолинейной осью и плазмовода 2 (фиг.2) с криволинейной осью и возможные их сочетания, например, плазмовод 20 (фиг.5) с прямолинейной осью и подсоединенного к нему плазмовода 2 с криволинейной осью.

Необходимо отметить, что количество вариантов выполнения устройства для получения покрытий в вакууме определяется количеством используемых плазмоводов по виду осевой линии, - прямолинейные и криволинейные, которые включают тороидальные плазмоводы (фиг.2) и винтовые (фиг.1), а также количеством сочетаний указанных плазмоводов. С точки зрения удаления капель вещества наносимого покрытия с внутренней профилированной поверхности плазмовода с нанесенной резьбой шагом h преимуществом обладает вариант, когда генератор 1 (фиг.5) плазмы твердых веществ присоединен к плазмоводу 20 (фиг.4) с прямолинейной осью, который в свою очередь подсоединен к другому плазмоводу 2 с криволинейной осью.

Минимальная длина любого типа плазмовода определяется из условия обеспечения столкновения капли (на фиг.6 показаны стрелками), вылетевшей с торцевой поверхности 6 катода 5 с внутренней профилированной поверхностью корпуса плазмовода 2. В этой области концентрируются осажденные капли вещества покрытия. При этом максимальная длина плазмовода или плазмоводов определяется условием полного запирания капель на профилированной поверхности корпуса, так как дальнейшее увеличение длины плазмовода приводит к снижению производительности за счет рекомбинации ионов с электронами в импульсном потоке плазмы вещества покрытия.

Генератор 1 (фиг.6) плазмы установлен под углом α к оси а-а плазмовода 20 с прямолинейной осью, при этом угол α определяется из условия

α=arctg(r₁+r₂)/L₃+arctg(2r₃-L)/L₄,

где L₃ - расстояние между торцевой поверхностью 6 катода 5 и выходным торцом анода, L₄ - длина плазмовода с прямолинейной осью.

Указанное выражение для угла α позволяет получить конструкцию, которая обеспечивает минимальную длину плазмовода и столкновение любой капли, вылетевшей с торцевой поверхности катода, с внутренней поверхностью 14 корпуса плазмовода 20 с прямолинейной осью. В этой области длиной L₄ локализуется осаждение капель вещества наносимого покрытия.

Устройство содержит также натекатель 21 (фиг.2) газообразного вещества, расположенный в области, выбранной из группы, состоящей из генератора 1 плазмы, плазмовода 2 и камеры 3 нанесения покрытий.

Согласно второму варианту выполнения изобретения устройство для нанесения многокомпонентного покрытия в вакууме содержит, по меньшей мере, два генератора 1 (фиг.7) плазмы твердых веществ. В описываемом варианте устройство содержит два генератора 1 плазмы твердых веществ, соединенных посредством соответствующих плазмоводов 2 (по количеству генераторов плазмы) с камерой 22 смешения, соединенной с камерой 3 для нанесения покрытий.

На корпусе 23 камеры 22 смешения расположены соленоиды 24 по количеству генераторов 1 плазмы, которые имеют аналогичные конструкции.

Длина камеры 22 смешения определяется условием однородного радиального смешения ионов веществ многокомпонентного покрытия.

Устройство во втором варианте выполнения содержит также блок 25 синхронизации, подключенный к каждому узлу 7 поджига импульсной вакуумной дуги и предназначенный для управления режимом одновременной инжекции плазмы компонентов наносимого покрытия в межэлектродные промежутки.

Устройство содержит емкостные накопители 9 по количеству генераторов 1 плазмы, соединенные с соответствующими электродами 4, 5 генераторов 1 плазмы и с клеммами 10, 11 соответствующих регулируемых источников 12 питания.

При этом каждый плазмовод 2 содержит полый корпус 13 радиуса r₃ с профилированной внутренней поверхностью с шагом h профиля и соленоиды 15 по числу генераторов плазмы, размещенные с внешней стороны корпуса 13 по всей длине.

Магнитная система каждого генератора 1 плазмы содержит соленоид 16 анода, соленоид 15 плазмовода и соленоиды 24 камеры смешения, которые включены согласно.

В описываемом варианте выполнения изобретения катоды 5 генераторов 1 плазмы заземлены. Однако возможен вариант выполнения, когда оба электрода - катод 5 и анод 4 - не заземлены.

Обмотка соленоида 16 анода имеет различную плотность намотки, так что максимальная плотность N_max намотки расположена в области анода 4, соответствующей торцевой поверхности 6 катода 5, а минимальная плотность N_min намотки расположена над оставшейся частью анода длиной L₂.

При этом поперечные размеры анодов 4 и соленоидов 16 анодов, а также корпусов 13 плазмоводов и соленоидов 15 плазмоводов выбраны так, что периферийные относительно оси плазмовода силовые линии магнитного поля каждого соленоида 16 анода в области L₂, соответствующей минимальной плотности намотки соленоида 16 анода и соленоида 15 плазмовода, замыкаются на торец 17 соответствующего анода. На фиг.7 линии вдоль оси b-b плазмовода 2 представляют собой силовые линии 26 магнитного поля.

В качестве катодов 5 использованы катоды, состоящие из одного вещества, выбранного из группы, состоящей из металлов, например рубидий, цезий, магний, кальций, иттрий, лантан, титан, цирконий; полуметаллов, например висмут, графит; и полупроводников, например кремний, германий, бор; полупроводниковых соединений, например InSb, AsGa; либо из множества веществ, выбранных из группы, состоящей из сплавов металлов, например карбиды, бориды, оксиды, карбиды сплавов металлов и полупроводников, силициды, соединения германия и их смеси.

На фиг.8 представлен вариант, когда устройство согласно второму варианту выполнения содержит три генератора 1 плазмы твердых веществ, которые посредством плазмоводов 2 с криволинейной осью соединены с камерой 22 смешения.

Устройство содержит также дополнительный электрод (фиг.9), состоящий из трех частей 27, 28, 29 по количеству плазмоводов 2 и размещенный между корпусом 23 камеры 22 смешения и корпусами 13 плазмоводов 2. Части 27, 28, 29 дополнительного электрода электрически изолированы от корпуса 23 камеры смешения и корпусов 13 плазмоводов. Каждая часть дополнительного электрода подсоединена к аноду 4 соответствующего генератора 1 плазмы. Указанный дополнительный электрод предназначен для замыкания периферийных силовых линий магнитного поля соленоидов камеры смешения и соленоида соответствующего плазмовода.

Аналогично указанному выше поперечный размер L (фиг.2) области замыкания магнитных полей соленоида анода и соответствующего соленоидов плазмовода на выходном торце анода отвечает условиям

L<10h, L=r₃-r₂

где h - величина шага профиля внутренней поверхности корпуса плазмовода.

Направление магнитного поля в каждой магнитной пробке согласуется с направлением магнитного поля катодных микропятен путем выбора направления намотки соленоида каждого анода.

Направление магнитного поля в каждой магнитной пробке согласуется с направлением магнитного поля катодных микропятен путем выбора направления тока разряда импульсной вакуумной дуги в соленоиде анода.

Величина отношения плотности N_min намотки в области минимума магнитного поля магнитной пробки к плотности N_max намотки в области максимума магнитного поля магнитной пробки N_min/N_max в соленоиде каждого анода выбирается из условия

N_min/N_max≤(r₁/r₂)².

Плотность N1 намотки соленоида каждого анода в области, соответствующей минимуму магнитного поля Н_min , плотность N2 намотки соленоида каждого плазмовода и плотность N3 намотки каждого соленоида камеры смешения выбраны из условий

N1≥N2, N1=N3≤N1/K,

где K - количество генераторов плазмы твердых веществ в устройстве.

Аналогично указанному выше каждый анод 4 профилирован в поперечном сечении в соответствии с плотностью намотки соответствующего солениода анода и содержит цилиндрическую и коническую части, при этом коническая часть имеет максимальную плотность намотки, а цилиндрическая часть имеет минимальную плотность намотки.

Как и в предыдущем варианте выполнения, в качестве плазмовода использован плазмовод, выбранный из группы, состоящей из плазмовода с прямолинейной осью и плазмовода с криволинейной осью и их сочетания.

По меньшей мере, один генератор 1 (фиг.6) плазмы установлен под углом α к оси плазмовода с прямолинейной осью, при этом угол α определяется из условия

α=arctg(r₁+r₂)/L₃+arctg(2r₃-L)/L₄,

где L₃ - расстояние между торцевой рабочей поверхностью катода и выходным торцом анода, L₄ - длина плазмовода с прямолинейной осью.

Устройство в описываемом варианте содержит, по меньшей мере, два натекателя 21 (фиг.8) газообразного вещества, расположенные в области, выбранной из группы, состоящей из генераторов 1 плазмы, плазмоводов 2, камеры 22 смешения и камеры 3 нанесения покрытий.

Блок 25 синхронизации подключен к каждому импульсному натекателю 21 для управления режимом инжекции газообразных веществ.

В третьем варианте выполнения изобретения устройство для нанесения многослойного многокомпонентного покрытия в вакууме содержит, по меньшей мере, два генератора 1 плазмы твердых веществ, соединенных посредством соответствующих плазмоводов 2 с камерой смешения.

В описываемом варианте на фиг.10 представлено устройство, которое содержит три плазмовода 2, на входном торце каждого из которых устновлены по три генератора 1 плазмы твердых веществ. Плазмоводы 2 соединены с камерой 22 смешения, соединенной с камерой 3 для нанесения покрытий. При этом на корпусе 23 камеры 22 смешения расположены соленоиды 24 по количеству генераторов 1 плазмы, которые выполнены аналогично описанным выше.

Устройство содержит также блок 25 синхронизации, подключенный к каждому узлу 7 поджига импульсной вакуумной дуги (не показан) и предназначенный для управления режимом инжекции плазмы компонентов наносимого покрытия в межэлектродные промежутки 8. Емкостные накопители 9 по количеству генераторов 1 плазмы соединены с соответствующими электродами 4, 5 генератора 1 плазмы и с клеммами 10, 11 соответствующих регулируемых источников 12 питания.

Каждый плазмовод 2 содержит полый корпус радиуса r₃ с профилированной внутренней поверхностью с шагом h профиля и соленоиды, размещенные с внешней стороны корпуса по всей длине.

Магнитная система каждого генератора плазмы содержит соленоид анода, соленоид плазмовода и соответствующий соленоид камеры смешения (не показаны), которые включены согласно.

В описываемом варианте выполнения изобретения катод 5 (не показан) генератора 1 плазмы заземлен. Однако возможен вариант выполнения, когда оба электрода - катод 5 и анод 4 - не заземлены.

Обмотка соленоида 16 анода имеет различную плотность намотки, так что максимальная плотность N_max намотки расположена в области анода, соответствующей торцевой поверхности катода, а минимальная плотность N_min намотки расположена над оставшейся частью анода длиной L₂.

При этом поперечные размеры всех анодов 4 и соленоидов 16 анодов, а также всех корпусов 13 плазмоводов и соленоидов 15 плазмоводов выбраны так, что периферийные силовые линии магнитного поля каждого соленоида анода в области, соответствующей минимальной плотности намотки соленоида анода и каждого соленоида плазмовода, замыкаются на торец 17 соответствующего анода 4.

Катоды выполнены аналогично описанному выше.

Поперечный размер L области замыкания магнитных полей каждой магнитной пробки и соответствующего соленоида плазмовода на выходном торце каждого анода отвечает условиям

L<10h, L=r₃-r₂

где h - величина шага профиля внутренней поверхности корпуса плазмовода.

Направление магнитного поля в каждой магнитной пробке согласуется с направлением магнитного поля катодных микропятен путем выбора направления намотки соответствующего соленоида 16 каждого анода.

Или направление магнитного поля в каждой магнитной пробке согласуется с направлением магнитного поля катодных микропятен путем выбора направления тока разряда импульсной вакуумной дуги в соответствующем соленоиде каждого анода.

Величина отношения плотности N_min намотки в области минимума магнитного поля магнитной пробки к плотности N_max намотки в области максимума магнитного поля магнитной пробки N_min/N_max в соленоиде каждого анода выбирается из условия

N_min/N_max≤(r₁/r₂)².

Плотность N1 намотки соленоида каждого анода в области, соответствующей минимуму магнитного поля Н_min, плотность N2 намотки соленоида каждого плазмовода и плотность N3 намотки каждого соленоида камеры смешения выбраны из условий

N1≥N2, N1=N3≤N1/K,

где K - количество генераторов плазмы твердых веществ в устройстве.

Как указано выше, анод 4 профилирован в поперечном сечении в соответствии с плотностью намотки соответствующего соленоида анода и содержит цилиндрическую и коническую части, при этом коническая часть имеет максимальную плотность намотки, а цилиндрическая часть имеет минимальную плотность намотки.

В качестве плазмовода использован плазмовод, выбранный из группы, состоящей из плазмовода с прямолинейной осью и плазмовода с криволинейной осью и их сочетания.

По меньшей мере, один генератор установлен под углом α к оси плазмовода с прямолинейной осью, при этом угол α определяется из условия

α=arctg(r₁+r₂)/L₃+arctg(2r₃-L)/L₄,

где L₃ - расстояние между торцевой рабочей поверхностью катода и выходным торцом анода, L₄ - длина плазмовода с прямолинейной осью.

Аналогично указанному выше устройство содержит дополнительный электрод, состоящий из трех частей 27, 28, 29 (фиг.9), размещенных между корпусом 23 камеры 22 смешения и корпусами 13 плазмоводов, электрически от них изолированный и подсоединенный к аноду 4 соответствующего генератора 1 плазмы, и предназначенный для замыкания периферийных силовых линий магнитного поля каждого соленоида 24 камеры 22 смешения и соленоидов 15 соответствующего плазмовода.

Устройство содержит в описываемом варианте четыре натекателя 21 газообразного вещества, расположенные в области, выбранной из группы, состоящей из генераторов плазмы, плазмоводов, камеры смешения и камеры нанесения покрытий.

Блок 25 синхронизации подключен к каждому импульсному натекателю для управления режимом инжекции газообразных веществ.

В соответствии с первым вариантом выполнения изобретения способ нанесения покрытия в вакууме осуществляют следующим образом.

Используют один генератор 1 (фиг.2) плазмы твердых веществ. Подают напряжение на электроды 4, 5 генератора плазмы твердых веществ. Заземляют катод 5 генератора плазмы твердых веществ. Инжектируют в межэлектродный промежуток генератора 1 плазмы твердых веществ плазму наносимого покрытия.

Возбуждают в межэлектродном промежутке 8 генератора 1 плазмы импульсную вакуумную дугу, посредством чего на торцевой поверхности 6 катода 5 формируют множество катодных микропятен, которые служат источниками импульсных потоков плазмы, содержащих атомы, положительно заряженные ионы, электроны и капли вещества покрытия. При этом в межэлектродном промежутке генератора 1 плазмы формируется распределение потенциала в виде катодного скачка потенциала ΔUk (фиг.3) и анодного скачка потенциала ΔUa.

Накладывают на область (фиг.2) импульсной вакуумной дуги и на плазмовод 2 генератора плазмы продольное относительно оси генератора плазмы и оси плазмовода магнитное поле путем пропускания тока разряда импульсной вакуумной дуги через соленоид 16 анода и соленоид 15 плазмовода генератора плазмы.

При наложении продольного магнитного поля на область импульсной вакуумной дуги формируют магнитную пробку, так чтобы максимум величины магнитного поля Н_max (фиг.8, фиг.10 и фиг.11) магнитной пробки совпадал с областью катодных пятен, а минимум величины магнитного поля H_min магнитной пробки совпадал с анодной областью импульсной вакуумной дуги.

Прикладывают к корпусу 13 плазмовода потенциал смещения ΔUa, посредством чего формируют поперечное электрическое поле.

На фиг.7 показаны два варианта диаграммы изменения величины магнитного поля в магнитной пробке H_1max, H_1min и H_2max, H_2min. Этим двум вариантам соответствуют два варианта изменения величины ΔUa₁, ΔUa₂ (фиг.11, фиг.12).

Транспортируют полученный импульсный поток плазмы по плазмоводу 2 (фиг.2) генератора 1 плазмы в камеру 3 для нанесения покрытий и при транспортировании отделяют капли и атомы рабочего вещества и ионы с энергией более, чем e·ΔUa вещества покрытия.

При транспортировании потока плазмы по плазмоводу 2 в качестве потенциала смещения корпуса 13 плазмовода используют анодный скачок потенциала ΔUa импульсной вакуумной дуги, для чего замыкают периферийные силовые линии магнитного поля магнитной пробки, расположенные в прианодной области, а также периферийные силовые линии соленоида 15 плазмовода на выходной торец 17 анода.

При транспортировании потока плазмы по плазмоводу осуществляют поперечное удержание электронов и ионов. Электроны удерживаются продольным магнитным полем, величина которого выбирается такой, чтобы радиус Лармора электрона и радиус Лармора иона были меньше и больше соответственно диаметра 2r₃ корпуса плазмовода. При этом параметр Холла электронов больше 1. Ионы удерживаются радиальным электрическим полем потенциала смещения ΔUa корпуса плазмовода, который является для них энергетическим барьером.

Отделение капель вещества покрытия осуществляется путем их многократных столкновений с профилированной поверхностью корпуса плазмовода за счет диссипации их кинетической энергии и изменения направления импульса от продольного к поперечному при столкновении.

Конденсируют полученную плазму на подложку 30 в камере 3 для нанесения покрытия в виде однослойного покрытия 31.

В полученный импульсный поток плазмы в соответствии с составом наносимого покрытия инжектируют поток газообразного вещества в область, выбранную из группы, состоящей из области импульсной вакуумной дуги, плазмовода 2, камеры 3 нанесения покрытия. В качестве газообразного вещества используют кислород, азот или их смеси.

Газообразное вещество инжектируют в импульсном режиме (фиг.13а), при этом момент инжекции газообразного вещества опережает (фиг.13b) момент возбуждения импульсной вакуумной дуги на время

τ=l/v,

где l - расстояние от места инжекции до подложки, v - скорость потока газообразного вещества,

при этом время τ₂ инжекции определяется выражением

τ₂=τ+τ₃,

где τ₃ - длительность импульса вакуумной дуги.

На фиг.13 по оси абцисс отложено время t, а по оси ординат - концентрация n.

Концентрацию n1 газообразного вещества и концентрацию n2 плазмы в импульсном потоке устанавливают из условия n1/n2≤20.

В соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения способ нанесения однослойного многокомпонентного покрытия в вакууме осуществляют следующим образом.

Используют, по меньшей мере, два генератора (фиг.7) плазмы твердых веществ, в описываемом варианте именно два генератора 1 плазмы твердых веществ, катоды 5 которых состоят из множества веществ, предназначенных для формирования многокомпонентного покрытия.

Подают напряжение на электроды 4, 5 генераторов плазмы, при этом на каждом генераторе устанавливают величину подаваемого напряжения в соответствии с процентным соотношением каждого из компонентов в формируемом покрытии.

Возможен вариант выполнения изобретения, когда соотношение компонентов в наносимом покрытии задают величиной соотношения емкостей соответствующих емкостных накопителей генераторов плазмы.

Заземляют катод 5 каждого генератора плазмы твердых веществ.

В варианте, представленном на фиг.8, инжектируют одновременно в межэлектродный промежуток 8 каждого генератора 1 плазмы твердых веществ плазму соответствующего компонента наносимого покрытия и осуществляют поджиг трех импульсных вакуумных дуг (фиг.14а, фиг.14b, фиг.14с) в каждом межэлектродном промежутке 8 соответственно.

Посредством этого на каждом катоде формируют множество катодных микропятен, которые служат источниками импульсных потоков плазмы, содержащих атомы, положительно заряженные ионы, электроны и капли вещества многокомпонентного покрытия.

При этом в межэлектродном промежутке (фиг.3) каждого генератора плазмы формируется распределение потенциала в виде катодного скачка потенциала ΔUk и анодного скачка потенциала ΔUa.

Накладывают на область каждой импульсной вакуумной дуги и на плазмовод каждого генератора плазмы продольное относительно оси генератора плазмы и оси плазмовода магнитное поле путем пропускания тока разряда соответствующей импульсной вакуумной дуги через соленоид анода и соленоид плазмовода каждого генератора плазмы.

При наложении продольного магнитного поля на область каждой импульсной вакуумной дуги формируют магнитную пробку, так что максимум величины магнитного поля Н_max (фиг.8) магнитной пробки совпадал с областью катодных пятен, а минимум величины магнитного поля H_min магнитной пробки совпадал с анодной областью импульсной вакуумной дуги.

Прикладывают к корпусу каждого плазмовода потенциал смещения ΔUa, посредством чего формируют поперечное электрическое поле.

Транспортируют каждый полученный импульсный поток плазмы по соответствующему плазмоводу соответствующего генератора плазмы в камеру смешения и при траспортировании отделяют капли и атомы рабочего вещества и ионы с энергией более чем e·ΔUa вещества многокомпонентного покрытия (фиг.12).

При транспортировании потока плазмы в качестве потенциала смещения корпуса каждого плазмовода используют анодный скачок потенциала ΔUa соответствующей импульсной вакуумной дуги.

Смешивают полученные три импульсных потока плазмы в камере смешения, соединенной с камерой для нанесения покрытий, при этом к корпусу камеры смешения прикладывают потенциал смещения U₂, посредством чего формируют поперечное электрическое поле и продольное магнитное поле, получаемое путем пропускания тока разряда соответствующих импульсных вакуумных дуг через соленоиды камеры смешения.

При смешении, по меньшей мере, двух импульсных потоков плазмы в камере смешения используют в качестве потенциала смещения анодные скачки потенциала ΔUa анодных областей соответствующих импульсных вакуумных дуг, для чего замыкают периферийные силовые линии магнитного поля каждой магнитной пробки, расположенные в прианодной области, а также периферийные силовые линии соленоида каждого из плазмоводов на выходной торец соответствующего анода.

При смешении потоков плазмы в камере смешения осуществляют поперечное удержание электронов и ионов. Электроны удерживаются продольным магнитным полем, величина которого выбирается такой, чтобы радиус Лармора электрона и радиус Лармора иона были меньше и больше соответственно диаметра корпуса камеры смешения. При этом параметр Холла электронов больше 1. Ионы удерживаются радиальным электрическим полем потенциала смещения U₂ корпуса камеры смешения, который является для них энергетическим барьером.

Конденсируют полученную многокомпонентную смесь плазмы на подложку 30 в камере для нанесения покрытий в виде однослойного 31 многокомпонентного покрытия.

В полученные импульсные потоки плазмы в соответствии с составом наносимого покрытия инжектируют потоки газообразного вещества в область, выбранную из группы, состоящей из областей импульсных вакуумных дуг, плазмоводов, камеры смешения, камеры нанесения покрытия.

В качестве газообразного вещества используют кислород, азот или их смеси.

Газообразное вещество инжектируют в импульсном режиме (фиг.15a, фиг.15b, фиг.15c, фиг.15d), при этом момент инжекции газообразного вещества опережает момент возбуждения соответствующей импульсной вакуумной дуги на время τ=l/v,

где l - расстояние от места инжекции до подложки, v - скорость потока газообразного вещества,

при этом время τ₂ инжекции определяется выражением

τ₂=τ+τ₃,

где τ₃ - длительность соответствующего импульса вакуумной дуги.

Концентрацию n1 газообразного вещества и концентрацию n2 плазмы в соответствующем импульсном потоке устанавливают из условия n1/n2≤20.

В соответствии с третьим вариантом выполнения изобретения способ нанесения многослойного многокомпонентного покрытия в вакууме осуществляют следующим образом.

Используют, по меньшей мере, два генератора плазмы твердых веществ, в описываемом варианте три генератора 1 (фиг.10) плазмы твердых веществ, катоды 5 которых состоят из множества веществ, предназначенных для формирования многослойного многокомпонентного покрытия.

Подают напряжение на электроды 4, 5 генераторов плазмы, при этом на каждом генераторе 1 плазмы устанавливают величину подаваемого напряжения в соответствии с процентным соотношением каждого из компонентов в формируемом покрытии. Заземляют катод 5 каждого генератора плазмы твердых веществ.

Изменяют величину напряжения, подаваемого на электроды каждого генератора плазмы от импульса к импульсу или от серии импульсов к серии импульсов, в течение которой формируется слой многослойного многокомпонентного покрытия в соответствии с процентным соотношением каждого из компонентов покрытия.

Инжектируют в межэлектродный промежуток каждого генератора плазмы твердых веществ плазму соответствующего компонента наносимого покрытия и осуществляют поджиг импульсной вакуумной дуги в каждом межэлектродном промежутке в соответствии с составом многослойного многокомпонентного покрытия.

Возбуждают в межэлектродных промежутках генераторов плазмы 1 последовательно импульсные вакуумные дуги (фиг.16а, фиг.16b, фиг.16с), посредством чего на каждом катоде формируют множество катодных микропятен, которые служат источниками последовательных импульсных потоков плазмы, содержащих атомы, положительно заряженные ионы, электроны и капли вещества многослойного многокомпонентного покрытия.

При этом в межэлектродном промежутке 8 каждого генератора плазмы формируется распределение потенциала в виде катодного скачка потенциала ΔUk и анодного скачка потенциала ΔUa.

Накладывают на область каждой импульсной вакуумной дуги и на плазмовод каждого генератора плазмы продольное относительно оси генератора плазмы и оси плазмовода магнитное поле путем пропускания тока разряда соответствующей импульсной вакуумной дуги через соленоид анода и соленоид плазмовода каждого генератора плазмы.

При наложении продольного магнитного поля на область каждой импульсной вакуумной дуги используют магнитную пробку, так что максимум величины магнитного поля Н_max магнитной пробки совпадал с областью катодных пятен, а минимум величины магнитного поля H_min магнитной пробки совпадал с анодной областью импульсной вакуумной дуги.

Прикладывают к корпусу каждого плазмовода потенциал смещения U₂, посредством чего формируют поперечное электрическое поле.

Транспортируют каждый полученный импульсный поток плазмы по соответствующему плазмоводу соответствующего генератора плазмы в камеру смешения и при транспортировании отделяют капли и атомы рабочего вещества и ионы с энергией более чем eU₁ вещества многослойного многокомпонентного покрытия.

При транспортировании потока плазмы в качестве потенциала смещения корпуса каждого плазмовода используют анодный скачок потенциала ΔUa соответствующей импульсной вакуумной дуги.

Смешивают полученные три импульсных потока плазмы в камере смешения, соединенной с камерой для нанесения покрытий, при этом к корпусу камеры смешения прикладывают потенциал смещения ΔUa, посредством чего формируют поперечное электрическое поле, определяемое потенциалом смещения U₂ корпуса камеры смешения, и продольное магнитное поле, получаемое путем пропускания тока разряда соответствующей импульсной вакуумной дуги через один из соленоидов камеры смешения.

При смешении, по меньшей мере, двух импульсных потоков плазмы в камере смешения используют в качестве потенциала смещения U₂ анодные скачки потенциала ΔUa анодных областей соответствующих импульсных вакуумных дуг, для чего замыкают периферийные силовые линии магнитного поля каждой магнитной пробки, расположенные в прианодной области, а также периферийные силовые линии соленоида каждого из плазмоводов на выходной торец соответствующего анода.

Конденсируют полученную многокомпонентную смесь плазмы на подложку 30 в виде многослойного многокомпонентного покрытия 31.

В полученные импульсные потоки плазмы в соответствии с составом наносимого покрытия инжектируют потоки газообразного вещества в область, выбранную из группы, состоящей из областей импульсных вакуумных дуг, плазмовода, камеры смешения, камеры нанесения покрытия. В качестве газообразного вещества используют кислород, азот или их смеси.

Газообразное вещество инжектируют в импульсном режиме (фиг.17а, фиг.17b, фиг.17с, фиг.17d), при этом момент инжекции газообразного вещества опережает момент возбуждения соответствующей импульсной вакуумной дуги на время τ=l/v,

где l - расстояние от места инжекции до подложки, v - скорость потока газообразного вещества, при этом время τ₂ инжекции определяется выражением

τ₂=τ+τ₃,

где τ₃ - длительность соответствующего импульса вакуумной дуги.

Концентрацию n1 газообразного вещества и концентрацию n2 плазмы в соответствующем импульсном потоке устанавливают из условия n1/n2≤20.