Содержание к диссертации
Введение
1. Ионно-плазменные методы формирования углеродосодержащих 10
1.1. Преимущества использования углеродосодержащих покрытий 10
1.2. Технологии формирования пленок состава: а-С, а-С-Ме, а-С:Н-Ме 13
1.3. Технологические методы осаждения покрытий 15
1.3.1. Вакуумно-дуговое распыление 17
1.3.2. Магнетронное распыление 17
1.3.3. Распыление ионным пучком 18
1.4. Антиэмиссионные покрытия 19
1.5. Радиопоглощающие покрытия 21
2. Напыление покрытий на основе углерода из плазмы вакуумно-дугового разряда 24
2.1. Особенности распыления графитового катода 26
2.2. Перенос распыляемого материала в зоне распыления 31
2.3. Осаждение заряженных частиц и формирования покрытия 35
2.4. Диффузионные процессы при создании покрытий на основе
2.4.1. Основные механизмы диффузионных процессов 41
2.5. Технологическая установка для нанесения покрытий с помощью дугового разряда в вакууме 44
2.6. Формирование покрытий на основе углерода из плазмы вакуумно-дугового разряда 46
3. Вакуумный модуль загрузки: предварительная обработка диэлектрических нетермостойких поверхностей 66
3.1.Система предварительного нагрева диэлектрических поверхностей с различными коэффициентами термостабильности 67
3.2.Плазменная система для ионной очистки и травления диэлектриков 71
3.3.Конструкции источников быстрых нейтральных частиц 76
3.3.1. Источник быстрых нейтральных частиц с полым катодом . 76
3.3.2. Источник быстрых нейтральных частиц с полым анодом . 77
3.3.3. Источник быстрых нейтральных частиц с электродом под плавающим потенциалом 77
3.4. Физические основы работы источников быстрых нейтралов 78
3.4.1. Генерация ионов 78
3.4.2. Резонансная перезарядка 80
3.4.3. Физические основы нейтрализации ионов при отражении . 81
3.4.4. Потери энергии при отражении от поверхности твердого тела 84
3.5. Управляемый газоразрядный источник быстрых нейтральных частиц 85
Выводы 93
4. Технологические основы формирования углеродосодержащих покрытий при использовании магнетронных распылительных систем 95
4.1. Математическая модель магнетронного разряда с плоским катодом 98
4.2. Влияние магнитного поля на протекание технологических процессов . 101
4.2.1. Расчет скорости распыления никеля 103
4.2.2. Расчет распределения толщины напыленной пленки по поверхности подложки 104
4.3. Применение МРС с магнитными системами из редкоземельных металлов для распыления ферромагнитных материалов 107
4.3.1. Моделирование магнитных полей постоянных магнитов Sm-Co в пакете прикладных программ 108
4.4. Применение различных режимов включения соленоидов в магнетронных распылительных системах . 112
4.5. Трехмерное численное моделирование электромагнитного поля системы соленоидов 118
4.6. Нанесение углеродосодержащих покрытий магнетронной распылительной системой 123
Выводы . 126
5. Свойства тонких углеродных пленок 127
5.1. Исследование морфологии поверхности полученных пленок 127
5.2. Электромагнитные свойства пленок углерода составов -С:Н-Ме 128
5.3. Частотно-селективные структуры для изготовления РПМ 131
Выводы . 139
Заключение 140
Список литературы 141
- Особенности распыления графитового катода
- Управляемый газоразрядный источник быстрых нейтральных частиц
- Применение различных режимов включения соленоидов в магнетронных распылительных системах
- Частотно-селективные структуры для изготовления РПМ
Введение к работе
Актуальность работы. Прогрессивность технологий, используемых в современном промышленном производстве, определяется соответствием уровня их развития основным тенденциям развития науки, к которым относятся экологическая безопасность, энерго- и ресурсосбережение, полная автоматизация и т. д. В связи с этим неуклонно растет интерес исследователей к созданию новых экологически безопасных модулей ионно-плазменного напыления с повышенной технологической и экономической эффективностью, предназначенных как для модифицирования поверхностных свойств материалов, так и для нанесения покрытий и тонких пленок, применяемых при изготовлении изделий микро- и наноэлектроники, в оборонном, машиностроительном и радиационно-химическом производствах и т. д.
На настоящем этапе развития ионно-плазменного напыления одной из основных задач является разработка технологических процессов по формированию функциональных покрытий на основе углерода: чистых нанострук-турированных углеродосодержащих пленок, комбинированных пленок с металлическими включениями и карбидных соединений. Использование ионно-плазменных модулей позволяет в процессе формирования покрытий в широких пределах управлять их оптическими, электрическими и механическими свойствами, что открывает широкие возможности практического применения полученных специальных, защитных, антиэмиссионных, композиционных и радиопоглощающих покрытий.
Разработка промышленной технологии получения антиэмиссионных покрытий для сеточных электродов мощных генераторных ламп, а также материалов и покрытий нового поколения на основе тонких пленок гидрогенизи-рованного аморфного углерода с ферромагнитными наночастицами 3d-металлов (Fe, Co, Ni), напыленных на высокомодульную арамидную ткань типа кевлар или стеклоткань, представляет большой интерес и отвечает наиболее актуальным современным проблемам обеспечения снижения ради-озаметности специальной наземной, морской, воздушной и космической техники, а также на новом уровне решает проблемы электромагнитной совместимости бортовых электронных комплексов, обеспечивает защиту биологических объектов от электромагнитного излучения, а компьютерных систем обработки информации от несанкционированного доступа.
Эффективность ионно-плазменных модулей для получения пленок -С, -C:Н и -С:Н–Ме во многом определяется техническими характеристиками технологических устройств, использующих методы физического осаждения из плазмы газового разряда в магнетронных распылительных системах (МРС) и дугового разряда в вакууме на интегрально-холодном катоде в вакуумно-дуговых устройствах (ВДУ).
Вакуумно-дуговые источники плазмы обеспечивают высокие скорости роста наносимого покрытия, что значительно повышает энергоэффективность и снижает себестоимость использования данного метода. Однако при этом актуальны проблемы формирования покрытий на нетермостойких материалах и подложках большой площади.
Для получения наноструктурированных тонкопленочных покрытий на диэлектрических нетермостойких материалах большой площади могут быть использованы МРС планарного типа. Главным преимуществом этих устройств является возможность плавного изменения технологических параметров, определяющих качество и, как следствие, эксплуатационные характеристики получаемых изделий.
Цель диссертационной работы – разработка технологических методов и ионно-плазменного оборудования для нанесения наноструктурированных углеродосодержащих покрытий на тугоплавкие подложки, а также на диэлектрические нетермостойкие материалы большой площади с заданными эксплуатационными свойствами.
Реализация поставленной цели достигается решением следующих теоретических и практических задач:
– исследованием технологических особенностей физических процессов распыления графитового катода вакуумно-дуговым разрядом, работающим в стационарном режиме, для формирования антиэмиссионных покрытий на электродах генераторных ламп;
– разработкой методов управления технологическим процессом осаждения частиц из плазменного потока, формируемого при распылении графитового катода, на подложку с учетом влияния рабочего газа и напряжения смещения на свойства получаемых тонких пленок и покрытий;
– разработкой системы предварительного нагрева нетермостойких подложек с автоматизированным контролем параметров;
– разработкой управляемого модуля высокоэффективной системы ион-но-плазменной очистки диэлектрических и нетермостойких подложек для широкого круга задач;
– разработкой технологии нанесения функциональных углеродных покрытий и радиопоглощающих пленок на основе углерода с металлическими включениями ферромагнитных материалов на гибкие, тканевые и твердотельные подложки большой площади с учетом особенностей использования магнетронных распылительных систем;
– изучением влияния степени разбалансированности магнитного поля, создаваемого магнитными системами, стабилизирующими газовый разряд, на эффективность распыления с применением средств компьютерного моделирования;
– исследованием основных физических, химических и электромагнитных свойств формируемых радиопоглощающих покрытий.
Объект исследования – ионно-плазменное технологическое оборудование на основе вакуумно-дугового и аномального тлеющего разрядов.
Предмет исследования – эффекты и явления, возникающие:
– при формировании потоков плазмы в процессе распыления материала катода вакуумно-дуговым разрядом;
– воздействии скрещенных электрического и магнитного полей на плазменный поток, формируемый в магнетронных распылительных системах;
– разных способах плазменной обработки гибких тканевых и твердотельных металлических и керамических, а также нетермостойких материалов.
Методы проведения исследований. Основные результаты работы получены с применением современных теоретических и экспериментальных методов исследований. Осуществлялось математическое моделирование, протекающих процессов и проводился их численный расчет. Для исследования состава и структуры формируемых покрытий проводился рентгенографический и микроструктурный анализ. Химический состав покрытий определялся с помощью электронной микроскопии и микрорентгеноспектрально-го анализа. Совпадение и корреляция полученных экспериментальных результатов исследований с расчетными данными подтверждают обоснованность сделанных выводов и выносимых научных положений.
Научная новизна работы заключается в следующих результатах:
-
На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны автоматизированные методы осаждения покрытий на основе углерода из плазмы дугового разряда в вакууме для сеточных электродов мощных генераторных ламп.
-
На основе теоретических и экспериментальных исследований выявлены основные закономерности влияния электромагнитного управления на условия осаждения углеродосодержащих наноструктурированных пленок.
-
Изучена зависимость параметров формируемых пленочных покрытий при работе магнетронной распылительной системы в различных условиях интенсивности распыления мишеней.
-
Исследованы особенности режимов работы плазменной системы на базе источника быстрых нейтралов в условиях пониженного давления.
-
Исследованы особенности технологии формирования функциональных углеродосодержащих покрытий -C:Н–Me на нетермостойких диэлектрических материалах.
-
Разработан метод повышения эффективности магнетронного распыления планарных углеродных и металлических мишеней из ферромагнитных материалов путем использования магнитных систем на базе соленоидов.
Практическая значимость диссертационной работы подтверждается следующим:
-
Разработана технология формирования антиэмиссионного углеродо-содержащего покрытия для сеточных электродов генераторных ламп.
-
Разработана и внедрена система газоразрядной очистки диэлектрических подложек на базе управляемого газоразрядного источника нейтральных частиц для реализации методов улучшения адгезии формируемых покрытий.
-
Для повышения сцепления осаждаемого материала с диэлектрической поверхностью спроектирована и внедрена система косвенного ее нагрева, управляемая посредством пропорционального интегрально-дифференциального регулирования.
4. Разработанная технология предварительной очистки и осаждения
наноструктурированных покрытий на основе углерода (-C:Н–Me) позволила
получить радиопоглощающие покрытия с высокими эксплуатационными
свойствами в широком диапазоне частот.
Новые результаты, полученные в ходе выполнения работы, позволили сформулировать научные положения, выносимые на защиту:
-
Плазменное модифицирование свойств поверхностного слоя с последующим формированием из плазмы вакуумно-дугового разряда покрытия на основе углерода достигается при последовательной подаче разнополярных импульсов, формирующих ускоренные ионные и электронные потоки с превалированием по времени электронной составляющей.
-
Максимальная эффективность очистки диэлектрической поверхности потоком нейтральных частиц, формируемым из газового разряда, достигается при использовании нейтрализатора с выходными каналами, ориентированными к рабочей поверхности под углом 10…15о и степенью шероховатости
поверхности не более 0.63Ra.
3. Наноструктурированные углеродосодержащие покрытия составов
-C:Н–Me с заданными электрофизическими свойствами и высокой адгези
онной способностью на диэлектрических поверхностях реализуются при по
следовательном проведении технологических операций предварительного
нагрева, финишной очистки управляемым источником быстрых нейтральных
частиц и ионно-плазменного осаждения с помощью магнетронных распыли
тельных систем.
Реализация результатов работы. Научные и технические результаты работы, полученные в настоящей диссертационной работе, применены в процессе проведения работ ОКР: «Кевлар-ФД», «Москит-ФД», 2015 г.; договор №РЕ-0111/2014 с ООО «Вактрон» и внедрены в АО «НИИ Феррит-Домен».
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры электронных приборов и устройств СПбГЭТУ «ЛЭТИ».
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов определяется:
– хорошим совпадением экспериментальных данных, полученных при использовании различных методов, с теоретическими расчетами и результатами математического моделирования;
– непротиворечивостью полученных в работе результатов и выводов, сделанных на их основе, с результатами других исследований.
Апробация работы проводилась на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и следующих научно-технических конференциях:
– «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 18-я Международная конференция. Севастополь, 8–12 сентября 2008 г.;
– «Плазменные технологии исследования, модификации и получения материалов различной физической природы», Международная научная конференция. Казань, 16–18 октября 2012 г.;
– 68-я НТК А. С. Попова, посвященная Дню радио. Санкт-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 18–26 апреля 2013 г.;
– «Вакуумная техника и технологии–2014», 21-я Всероссийская НТК с международным участием. Санкт-Петербург, 17–19 июня 2014 г.;
– «Пленки и покрытия – 2015», 12-я международная конференция. Санкт-Петербург, 19–22 мая 2015 г.;
– «Низкотемпературная плазма», VII всероссийская с международным участием НТК. Казань, 4–7 ноября 2015 г.;
– «Физика. СПб–2016», международная молодежная конференция по физике и астрономии. Санкт-Петербург, 1–3 ноября, 2016 г.;
– «Вакуумная техника и технологии–2017», 24-я Всероссийская НТК с международным участием. Санкт-Петербург, 6–8 июня 2017 г.
По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, из которых 5 научных статей в рецензируемых изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК РФ, 6 статей в зарубежных изданиях, индексируемых в базах WoS и Scopus, 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель, 2 свидетельства программ ЭВМ, 1 положительное решение по заявке на патент на изобретение, 3 статьи, опубликованные в других изданиях и материалах конференций, и 1 учебное пособие.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из 5 глав, введения и заключения. Материалы изложены на 150 страницах машинописного текста и имеют 87 рисунков и 12 таблиц. Список литературы состоит из 116 наименований.
Особенности распыления графитового катода
Стабильное горение вакуумно-дугового разряда поддерживается в парах эрозионного испарения материала катода. Разогрев катода происходит через катодные пятна, в которых ионы выделяют свою энергию (рисунок 2.2, б). Данная энергия складывается из двух слагаемых: кинетической и потенциальной энергий. Кинетическая энергия (0.5miV2) приобретается в области катодного падения разряда. Коэффициент аккомодации положительных ионов определяет полноту передачи их кинетической энергии, приобретаемой в разрядном промежутке. Кроме этого, полноту передачи энергии определяет разность температур взаимодействующих частиц: плазмы и поверхности. Условия, создаваемые на поверхности катода в области катодных пятен, обеспечивают контакт испаряемых атомов (паровая фаза) с испаряющей поверхностью катода (жидкая фаза). Данные условия обеспечивают для коэффициента аккомодации ионов условие oq = 1 oq и имеем: Wк =eUкa\.
Потенциальная энергия выделяется при нейтрализации, когда ион извлекает из катода недостающий электрон, осуществляющий нейтрализацию (А+ + е— А). В рассматриваемом случае, ион однозарядный, потенциальная энергия с учетом первого потенциала ионизации (Щ), работы выхода электрона с учетом эффекта Шотки (фэф) и аккомодационный коэффициент ос2 имеем: Жп=е( 71-фэф)а2
При расчете теплового баланса следует учитывать возможность попадания высокоэнергетических электронов на поверхность катода. Если средняя энергия электронов плазмы порядка величины кТе, то можно считать, что они полностью отражаются от внешней части потенциального барьера слоя объемного заряда, и, следовательно, электронами плазмы в слое объемного заряда (Лоб) и их потоком на поверхность можно пренебречь.
Мощность, выделяющуюся на катоде (Рк), выражают через полную мощность, вкладываемую в разряд, и коэффициент катодной мощности Значение коэффициента катодной мощности (hк) зависит от многих факторов, включая и такие, как работа выхода материала катода (ф), температура электронов (Ге), прикатодное падения напряжения (Uк).
Мощность, подводимая к катоду, расходуется на испарение, излучение, определяемое законом Стефана-Больцмана, и эмиссию электронов.
При расчете эффекта эмиссионного охлаждения обычно анализируют два предельных случая: автоэлектронную и термоавтоэлектронную эмиссию. При автоэлектронной эмиссии охлаждения не происходит, так как энергия на выход электронов не затрачивается, а напротив, может наблюдаться эффект эмиссионного нагревания за счет эффекта Ноттингема. Если при термоэлектронной эмиссии электроны обладают энергией, соответствующей работе выхода, а эмиссионное охлаждение, вызванное одним электроном, равно еср, то для термоавтоэлектронной эмиссии используется понятие эффективной работы выхода ефэф, учитывающей снижение потенциального барьера за счет эф фекта Шотки Аф = yje3E/(4m0): где AQ - постоянная Ричардсона; Тк - температура катода; еф - работа выхода.
Мощность, затрачиваемая на испарение материала катода, выражается через скорость его эрозии: где Wисп - энергия испарения, пересчитываемая на один атом; сіписп/Л -скорость испарения; pJраз - испаряемая масса катода в единицу времени; ц -коэффициент электропереноса, кг/Кл (С- 0.21 10–7); та - масса атома.
Коэффициент электропереноса (д.) для тока разряда (/раз) находится через соотношение испаряемой массы катода ( исх) к массе (Am), испаряемой за определенный промежуток времени (А). Увеличение коэффициента электропереноса (ы) достигается за счет увеличения температуры катода из расплавленной области КП (уменьшение диаметра, ухудшение теплоотвода, увеличение тока разряда) и увеличения испаряемой массы (Am) нейтральными частицами, атомами и капельными образованиями.
Через закон Стефана-Больцмана, при учете излучающей поверхности катода (5к), коэффициент интегрального излучения (є) и температуры нагретой части катода и охлаждения, определяется мощность, затрачиваемая на излучение:
Данный подход позволяет найти уровень мощности, отводимую охлаждением: Р = Рк - Рисп - Ризл. Для расчета температуры катоада длиной Lк, с учетом коэффициента теплопроводности материала катода X, используется следующее выражение
Распыление графитового катода осуществляется из высокотемпературной области катодного пятна. На графите КП перемещается со скоростью порядка 1 см/мин и представляет собой светящуюся область диаметром до 0.3 см с высокой температурой. На Рисунок 2.2, б катодное пятно рассматривается как точечный источник теплового воздействия с изменяющейся геометрией и представлено в виде круга.
Каждое пятно включает в себя область испарения, к которой прилегает тонкая область прикатодного падения потенциала, сосредотачивающая положительный пространственный заряд, и ярко светящуюся часть - область, где протекают процессы возбуждения и ионизации, испаряющихся с катода нейтральных частиц. Физически поверхность катода подвергается бомбардировке нонами, ускоренными прикатодным падением напряжения. Продукты эрозии покидают торцевую поверхность катода в виде высокоскоростной струи, содержащей паровую (атомы), ионизованную (ионы) и микрокапельную (капли и фазы (рисунок 2.2, б) фазы.
Микрокапельная фракция содержит кластеры, объединенные в линейные цепи с некоторым числом повторений (п) до 10; моноциклы - это когда число повторений находится между 10 и 50; двойные циклы - число повторений более 20; тройные циклы - число повторений больше или равны 30; фуллерены -более 30. Данные образования способны существовать с геометрическими размерами в поперечном сечении до нескольких микрометров. Относительная доля кластеров в плазменном потоке при распылении графитового катода весьма велика и в зависимости от условий существования может превышать 50%. Осаждение кластеров на обрабатываемую поверхность приводит с одной стороны к огрублению микрорельефа поверхности наносимой пленки, снижающей ее качество, при получении наноструктурированных покрытий, м в тоже время позволяют получать покрытия с развитой поверхностью.
В представленном виде, для теплового источника, воздействующего на поверхность, для удобства проводимых расчетов, можно считать, что в первом приближении распределение мощности и плотности тока (jкат), в пределах КП ( КП ), равномерно.
Пренебрегая краевыми эффектами, целесообразно считать, что формирующийся разрядом тепловой поток, во всех точках области КП, на поверхности катода, для любого рабочего момента времени постоянен -X(dTldh)h=0= q (-R r R). При этом вне области воздействия КП - тепловой поток считается равный нулю.
Выбранные размеры тела катода и существующие эффективные размеры КП, позволяют графитовый катод считать полубесконечным телом. Тепловой поток на удалении от рабочей поверхности катода равен нулю, а температура, при этом постоянна (dT I dh)h=0 = О (-00 г -R и R г оо); (-R г К); (dT/dh)h=aD = 0; Th=aD=T0.
В первоначальный момент времени t = 0 (исходное состояние, /раз = 0), температура катода, определяющаяся условиями его охлаждения (Тисх), одинакова для всех точек: Tt=0 = Гисх.
Тепловой режим работы катода определяется скоростью перемещения КП по графитовому катоду, что определяет массовые характеристики распыления и состав распыляемого материала.
Управляемый газоразрядный источник быстрых нейтральных частиц
Главным недостатком, рассмотренных газоразрядных источников быстрых нейтральных частиц (рисунок 3.8 а; 3.10-3.12), является то, что часть быстрых ионов из потока не нейтрализуются на стенках выходных каналов, и обрабатываемая поверхность в этом случае подвергается воздействию высокоэнергетических ионов. В ряде случаев это приводит к значительному ухудшению качества обработки, поскольку образуются дефекты, связанные с воздействием зарядов, и кроме того при длительной обработке на поверхности возникает потенциал, сравнимый с энергией ионов, что способствует возникновению пробоя тонких диэлектрических пленок и другим повреждениям поверхности. Так же, представленные источники, не позволяют управлять на выходе плотностью потока нейтральных частиц [56].
Для финишной очистки материала подложки, а также для активации поверхности перед напылением разработан и интегрирован в вакуумную камеру источник ионно-плазменной очистки подложек на базе управляемого газоразрядного источника быстрых нейтральных частиц (рисунок 3.17).
Конструкция источника включает в себя: катод (нейтрализатор) б, заземленный анод 3 и, находящийся под плавающим потенциалом, дополнительный электрод 9. Система подачи рабочего газа (Аг) состоит из устройства предварительного его разогрева 7, и газораспределителя 5, обеспечивающего выравнивание распределения атомов газа в зоне существования разряда, занимаю щего внутренний объем источника 10. Все электроды выполнены из конструкционной стали марки 12Х18Н10Т.
Основная часть быстрых атомов, бомбардирующих обрабатываемую диэлектрическую поверхность (рисунок 3.17), образуется в результате перезарядки высокоэнергетичных ионов при отражении от стенок выходных каналов в катоде 6 (рисунок 3.18, б), выполненного в виде монолитного, массивного, радиального блока диаметром 155 мм и толщиной Я = 8 мм (рисунок 3.18). На рабочей поверхности катода вскрыты каналы радиусом г = 4 мм на межцентровом расстоянии 10 мм относительно друг друга. Отверстия ориентированы под углом а = 15 по отношению к рабочей поверхности нейтрализатора (tga = r/H). Размеры каналов выбирались из условия обеспечения прохождения ионов, попадающих перпендикулярно на поверхность (7, рисунок 3.18, б), и попадания их на боковые стенки, где и протекает процесс нейтрализации. Как видно, условия прохождения зависят от геометрических размеров нейтрализатора: его толщины и радиуса каналов. Наиболее эффективным исполнением данной конструкции является выполнение равенства: Н = 2г.
Для упорядочивания характера движения заряженных частиц, генерируемых в газовом разряде, в направлении катода (нейтрализатора) 6 используется внешнее магнитное поле, формируемое соленоидом 2.
При наличии рабочего газа в объеме источника и отрицательного напряжения на основном катоде (/раз) зажигается газовый разряд, занимающий внутренний объем источника 10. В газовом разряде генерируются ионы, ускоряемые катодным падением напряжения. Нейтрализация заряженных частиц протекает в основном при отражении ионов от основного катода б, но при этом, небольшая часть ионов нейтрализуется за счет резонансной перезарядки на газовой мишени. В результате нейтрализации формируется ускоренный направленный поток нейтральных частиц.
Для поддержания разности давлений между входным объемом (9) и газовым источником нейтральных частиц (10) использовались газораспределительные диски (5) различной геометрии (толщиной 1 мм с различными, ради-ально расположенными отверстиями диаметром 2-4 мм). Суммарная газовая проводимость отверстий на порядок меньше проводимости впускного канала. Газораспределитель позволяет увеличить скорость истечения газа, за счет обеспечения перепада давления между объемом источника (9) и рабочим (10) объемом вакуумного поста. Распределение давления рабочего газа в зоне транспортировки является падающим (рисунок 3.19) [57].
Для получения максимального коэффициента ионизации обеспечивалось максимально высокое давление в объеме газоразрядного источника (10). С другой стороны для транспортировки пучков нейтральных частиц давление в рабочей камере должно быть минимальным, чтобы минимизировать вероятность столкновения потока быстрых нейтральных частиц с атомами остаточного газа.
Для обеспечения вышесказанного условия напуск газа должен осуществляться непосредственно во внутренний объем источника. При условии непрерывной откачки вакуумной камеры и напуска газа в объем источника, возмож но создание разности давлений (рх - р3) между объемом источника и вакуумной камерой.
Таким образом, использование газораспределительного диска позволяет создать перепад давлений (рисунок 3.19) между объемом источника и рабочей зоной вакуумной камеры: давление в источнике в 3.5 раза выше, чем давление в вакуумной камере. Разница давлений в зоне подачи газа р1 и зоне транспортировки потоков нейтральных частиц р3 может отличаться весьма существенно [58], причем р 1 р3. Давление в области ионизации и резонансной перезарядки р2 в первом приближении изменяется линейно, а среднее значение давление вычисляется с помощью р2 = 0.5 ( р 3 + р 1) . Как уже было сказано, зона подачи рабочего газа ограничена газораспределительным элементом, который представляет собой пластину с множеством радиальных отверстий. Суммарная газовая проводимость отверстий на порядок меньше проводимости впускных отверстий. Газораспределитель обеспечивает равномерную подачу газа в зону ионизации и резонансной перезарядки, что позволят добиться равномерного горения разряда во всем объеме источника. Также газораспределитель позволяет увеличить скорость течения газа, за счет перепада давлений р1 и р3.
Увеличения скорости течения газа в объеме источника позволяет увеличить количество актов ионизации в единицу времени, следовательно, позволяет увеличить количество ионов, генерируемых в газовом разряде, то есть повышает коэффициент ионизации рабочего газа. В свою очередь, увеличение количества ионов, генерируемых в разряде, в конечном итоге, приводит к увеличению количества нейтральных атомов в выходном пучке.
Скорость истечения рабочего газа через малые радиальные отверстия газораспределителя определяется: v H-1CpT 1[1-( p 3(-1 ])05, (3.14) где LI - молярная масса газа; Сp - теплоемкость газа при постоянном давлении; Тх - температура рабочего газа в зоне подачи; у - отношение теплоемкостей Сp/С V.
Анализ выражения (3.14) показывает, что скорость истечения газа через малые радиальные отверстия определяется как разностью давлений р 1 и р 3, так и температурой рабочего газа в зоне подачи. В этом случае, с ростом температуры, растет подвижность атомов газа, приводящее к увеличению количества актов ионизации в единицу времени. Разогрев газа может осуществляться различными методами, но самым простым и недорогим, является разогрев при помощи спиралей накаливания.
Применение различных режимов включения соленоидов в магнетронных распылительных системах
В МРС реализуется аномальный участок тлеющего разряда ВАХ газового разряда, существующий в скрещенных полях. При этом магнитное поле (геометрия и величина) является важнейшим параметром, определяющим как характер разряда, так и обеспечивающим зону локализации плазмы и эффективность распыления материала катода. В МРС, электроны, покидающие катод, ускоряются в области темного катодного пространства (dткп) и с большими энергиями попадают в область плазмы, где дрейфуют параллельно поверхности катода по замкнутым циклоидальным траекториям (/7ц). Скорость дрейфа электронов в направлении перпендикулярном электрическому и магнитному полям определяется выражением уд = ЕхВ/В , где Е и В - вектора напряженности электрического и магнитного полей. Считая, что напряженность электрического поля не зависит от положения на мишени, то можно сделать вывод, что основным фактором, определяющим концентрацию актов ионизации в разрядном промежутке, является величина и направление вектора магнитной индукции над поверхностью катода .
Переход на траекторию, более удаленную от поверхности катода-мишени возможен только при столкновении в области плазмы электрона с атомом плазмообразующего газа. В среднем при одном столкновении электрон смещается в направлении электрического поля на расстояние порядка ларморов-ского радиуса (і?л). Так как Ял электронов в МРС имеет порядок 1 мм, быстрые свободные электроны как бы запираются в своеобразной ловушке, создаваемой, с одной стороны, магнитным полем, возвращающим электроны на катод, а с другой стороны - поверхностью мишени, их отталкивающей. В этой ловушке электроны перемещаются по сложным траекториям и находятся там до тех пор, пока не произойдет несколько ионизирующих или возбуждающих столкновений с атомами рабочего газа, в результате которых они потеряют энергию, полученную от электрического поля. Это в свою очередь приводит к интенсивной бомбардировке мишени, что и позволяет получить плотность тока значительно большей, чем при простом диодном распылении. Распыляемый поток вещества устремляется к подложке и осаждается на ней в виде пленки.
Основной проблемой при использовании МРС является низкий коэффициент использования материала катода (до 15 % для магнитных материалов, и 35 % для немагнитных материалов), что обусловлено использованием для стабилизации разряда постоянных магнитов Sm-Co, либо Ne-Fe-B (индукция у поверхности катода 0.01… 0.1 Тл).
В этом случае разряд удерживается в фиксированной зоне, в области максимума индукции магнитного поля, что приводит к выработке материала катода в виде замкнутой канавки. От ширины зоны эрозии мишени, определяемых геометрией магнитного поля, зависит коэффициент использования материала. Для повышения коэффициента использования материала мишени целесообразно использовать магнитную систему, состоящую из нескольких соленоидов. В процессе работы повышение коэффициента использования достигается путем варьирования времени работы используемых соленоидов, включая их при этом поочередно или совместно, или обеспечивая сканирование магнитного поля по задаваемому закону.
Таким образом, решение задачи прогнозирования распыления материала мишени, имеет важное практическое значение как для эффективного использования материала мишени, так достижения оптимизационных условий при формировании покрытий. В этом случае для управления зоной удержания разряда и повышения равномерности распыления материала мишени необходимо рассчитать и управлять распределением индукции магнитного поля над рабочей поверхностью катода. Толщина распыляемых водоохлаждаемых мишеней из немагнитных материалов составляет 10… 12 мм.
Для определения конфигурации магнитного поля и расчета радиальной Br(r,z) и аксиальной Bz(r,z) составляющих индукции магнитного поля использовались следующие расчетные соотношения (4.26) и (4.27)
Решение этих уравнений позволяет получить распределение индукции для различных вариантов как включения соленоидов (рисунок 4.14), так и их геометрии.
Учитывая распределение плотности ионного тока на поверхности катода, получаемое из интегрирования актов ионизации во всем объеме плазмы j\(r)= \ne(r,z)vi(r,z)dz, где пе - плотность ионизирующих электронов, vi = /7a(aive) – средняя частота ионизации, определяемая из функции распределения электронов по энергиям, z- граница плазмы; и скорость распыления материала катода при нормальном падении ионов: 6.25 -1025 ][(г)К А/N Р, где jк - плотность катодного тока; К - коэф фициент катодного распыления; А – атомная масса материала катода; NA – число Авогадро; – плотность материала катода-мишени, можно определить и рассчитать зону распыления материала катода.
Основным фактором, определяющим плотность локализованной плазмы в прикатодной области, является величина и направление вектора магнитной индукции над поверхностью мишени. Устранить фокусирующее действие магнитного поля и, тем самым расширить эрозионную канавку, можно изменив кривизну силовых линий магнитного поля. Известно, что большое влияние на ширину зоны эрозии и работу магнетрона в целом играет форма магнитов. Чаще всего обычные магниты заменяют магнитами с усеченной формой. Такие усеченные магниты создают линии магнитного поля, охватывающие более протяженную часть мишени, что приводит к более широкой зоне эрозии [64]. Использование усеченных магнитов в магнетроне дает увеличение коэффициента использования мишени до 35 %. Одновременно с этим увеличивается скорости нанесения пленок, однородность толщины нанесенной пленки, повышается величина магнитного поля на поверхности мишени, а также снижается рабочее давление.
Магнитная система, являющаяся одним из конструктивных элементов магнетронной системы, должна формировать у поверхности мишени поле заданной конфигурации и величины с минимальным рассеянием для создания эффективной магнитной ловушки для электронов. Исследования по макетированию магнитных полей позволили выявить наиболее целесообразные варианты конструкции магнитной системы с точки зрения простоты и возможности получения магнитного поля требуемой геометрии и величины [65, 66].
Магнитная система, изображенная на рисунке 4.15, а, является достаточно простой и обеспечивает эффективную локализацию плазмы. В этой конструкции можно использовать наборные магнитные блоки, перекрывая их сверху общим полюсным наконечником. Более эффективно сконцентрировать поле в рабочем зазоре с минимальными потерями позволяет магнитная система, приведенная на рисунке 4.15, б. Однако она представляет собой магнит специфической формы и требует специального изготовления.
Аналогичный эффект достигается при использовании магнитов подковообразной формы (рисунок 4.15, в). Магнитную систему можно сделать более компактной, если использовать кольцевые магниты с радиальным намагничиванием (рисунок 4.15, г), но изготовление таких магнитов достаточно сложно. Кроме того, приведенная конструкция характеризуется значительным рассеянием магнитного поля снизу катодного блока. Форму магнитного поля можно изменять, используя полюсные наконечники определенной геометрии. Для создания в прикатодной области сильного магнитного поля, силовые линии которого почти параллельны распыляемой поверхности (что необходимо для более равномерного распыления поверхности мишени), можно использовать магнитную систему, показанную на рисунке 4.15, д. Однако в такой конструкции при сильно развитых наконечниках индукция магнитного поля резко уменьшается с увеличением расстояния от мишени, поэтому эффективное распыление достигается только для достаточно тонких мишеней. В случае толстых мишеней не следует сильно увеличивать площадь полюсных наконечников. Максимальная степень локализации плазмы характеризует магнитную систему, изображенную на рисунке 4.15, е. Несмотря на некоторую сложность изготовления, она является одной из самых эффективных. Для магнетронных распылительных систем с конической мишенью обычно используется магнитная система, приведенная на рисунке 4.15, ж. Она хотя и недостаточно эффективна, поскольку поле рассеивается по периметру системы, но проста в изготовлении. На рисунке 4.15, з показана аналогичная система с использованием радиальных магнитов. Наибольшая эффективность достигается в системе, в которой рассеяние поля отсутствует (рисунок 4.15, и), однако она требует изготовления магнита специальной формы [66].
Частотно-селективные структуры для изготовления РПМ
Одно из основных свойств полученных пленок - значение модуля коэффициента отражения (МКО) электромагнитного излучения. Чем ниже значение модуля, тем выше степень радиозаметности укрываемого объекта [106, 109, 110]. Это достигается тем, что радиопоглощающее покрытие представляет собой градиентную структуру, содержащую от 2 до 10 слоев наноструктури-рованных пленок на основе аморфного гидрогенизированного углерода с на-ночастицами 3d - металла (а - С: Н - Ме) нанесенных с двух сторон на гибкие подложки с помощью МРС. Управляя режимами работы напылительного устройства, концентрация металла в пленках а - С: Н - Ме варьировалась от 15 до 99 ат. %. Отдельные диэлектрические слои соединялись между собой с помощью клеевой прослойки, характеризующейся низкой диэлектрической проницаемостью (рисунок 5.7).
Одним из методов, позволяющим расширить частотный диапазона в область низких частот до величины 0.5 ГГц, является применение в составе РПМ частотно-селективной структуры (ЧСС) [116].
В этом случае, в качестве одного из слоев, формируемого РПМ, используется диэлектрическая подложка с напыленной на нее методом ионно-плазменного магнетронного напыления пленка аморфного гидрогенизированного углерода с наночастицами 3d-металла, сформированная в форме отдельных квадратов различных размеров. Размеры квадратов и расстояние между ними изменялось от 10 до 50 мм. Концентрация металла в пленках ЧСС варьировалась от 40 до 80 ат. %. Структурно, ЧСС с большей концентрацией металла в пленке, располагалась ближе к защищаемой поверхности, обеспечивая лучшее согласование с падающей на поверхность электромагнитной волной.
Включение в конструкцию радиопоглощающего материала ЧСС позволяет задействовать дополнительные механизмы рассеивания и поглощения электромагнитного излучения и тем самым значительно улучшить поглощающие свойства, и расширить рабочий диапазон частот.
Частотно-селективные структуры широко применяются в антенной технике для обеспечения работы антенных систем на нескольких частотах. Плоские частотно-селективные структуры используются в качестве фильтров СВЧ, антенных укрытий, преобразователей поляризации электромагнитных волн. Форма элемента ЧСС и расстояние между базовыми ячейками структуры влияют на электродинамические характеристики рассеянного электромагнитного поля. Из-за наличия волноводных элементов в базовой ячейке в рассеянном поле при изменении частоты наблюдаются резонансы полного прохождения и полного отражения электромагнитных волн.
Исследование поглощения электромагнитного излучения проводилось в диапазоне частот 0.5-37.5 ГГц по методике измерения модуля коэффициента отражения радиопоглощающих материалов в свободном пространстве. Определялись действительные и мнимые части диэлектрической (є ,є") и магнитной (ц",ц") проницаемостей и коэффициенты потерь ЭМ излучения при отражении: R = -10-1g(W R /W) дБ, где W,W R - мощности падающей и отраженной волн соответственно.
Для поглощения электромагнитного излучения необходимо иметь большие значения диэлектрической проницаемости, а также волновой импеданс Z = TJ[(}L +і \L")/(s + is")] должен быть близок к единице. Пленки гидрогенизи рованного углерода с наночастицами 3d-металла (a-C:H-Ni) могут иметь комплексную диэлектрическую проницаемость с величинами действительной части от 100 до 10000.
Для примера приведем свойства, некоторых радиопоглощающих материалов, составленных из N-го числа плоскопараллельных диэлектрических слоев (арамидная ткань), при этом на каждый слой с обеих сторон напылены наноструктурированные пленки гидрогенизированного углерода с нановклю-чениями никеля (a-C:H-Ni), сформированными с помощью МРС при давлении 0.3-0.5 Па и содержании Аг -80 %, Н2 -20 %:
1. материал, состоит из 1 подложки, концентрация Ni в пленке 1 составляла – 20 ат. %, в пленке 2 – 65 ат. %. Достигнутый коэффициент отражения в диапазоне частот 12–37.5 ГГц составил –(10–15) дБ;
2. материал, состоит из 2 подложек, концентрация металла в пленке 1 составляла 15 ат. %; 2 – 35 ат. %; 3 – 65 ат. %; 4 – 75 ат. %. Достигнутый коэффициент отражения в диапазоне частот 4–37.5 ГГц составил –(10–15) дБ;
3. материал, состоит из 3 подложек, концентрация металла в пленке 1 составляла 15 ат. %; 2 – 20 ат. %; 3 – 45 ат. %; 4 – 60 ат. %; 5 – 70 ат. %; 6 – 75 ат. %. Между подложками размещены частотно-селективные структуры с концентрацией металла 80%. Достигнутый коэффициент отражения в диапазоне частот 0.5–37.5 ГГц составил –(6–22) дБ;
3. материал, состоит из 3 подложек, концентрация металла в пленке 1 составляла 15 ат. %; 2 – 20 ат. %; 3 – 45 ат. %; 4 – 60 ат. %; 5 – 70 ат. %; 6 – 75 ат. %. Между подложками размещены частотно-селективные структуры с концентрацией металла 80 %. Достигнутый коэффициент отражения в диапазоне частот 0.5–37.5 ГГц составил –(6–22) дБ;
4. материал, состоит из 3 подложек, концентрация металла в пленке 1 составляла 15 ат. %; 2 – 20 ат. %; 3 – 45 ат. %; 4 – 60 ат. %; 5 – 70 ат. %; 6 – 75 ат. %. Между подложками размещены частотно-селективные структуры с концентрацией металла 80 % в виде квадратов. Размер квадратов составляет 5050 мм. Расстояние между квадратами 50 мм. Достигнутый коэффициент отражения в диапазоне частот 0.5–37.5 ГГц составил –(10–20) дБ;
Измерение значения модуля коэффициента отражения проводилось рупорным методом в широком диапазоне частот. Схема измерительного стенда состояла из передающей, излучающей сигнал на испытуемый образец, и приемной рупорной антенн, анализатора S-параметров и персонального компьютера с соответствующим программным обеспечением.
Проведенные измерения показали, что поглощение электромагнитного излучения полученными материалами покрытий составляет 10–15 дБ в диапазоне частот 8–80 ГГц. Зависимости характеристик отражения и поглощения приведены на рисунке 5.8 [115, 116].
Методика формирования образцов составных покрытий заключалась в ионно-плазменном распылении никелевого (Ni) и графитового (С) катодов и их совместном осаждении на перемещающиеся со скоростью 510–2 мс–1 относительно потоков плазмы подложки в виде тонких (с толщиной менее 1.5 нм) субслоев до суммарной толщины пленки 0.7–2.0 мкм.
Измерения толщины пленок проводилось на интерферометре МИИ-4.0, и, для различных образцов составляла от 1.2 до 2.0 мкм (рисунок 4.27).
Химический состав пленок измерялся с помощью сканирующего электронного микроскопа VEGA II LMU с энергодисперсным микроанализом JNCA 350DC. Погрешность измерения прибором лежит в диапазоне (± 1 %). Отработанная технология, позволяет получать покрытия переменного состава (С:Ni), с концентрацией по углероду от 50 до 80 %.
Измерения комплексных значений диэлектрической s и магнитной ц проницаемости пленок проводилась в диапазоне 1-20 ГГц резонаторным методом при использовании волноводных резонаторов. Резонаторный метод основан на измерении отклонений резонансной частоты и изменений значений добротности после загрузки в резонатор образцов пленок oc-C:H-Ni, напыленных на различные подложки. Эти изменения связаны с относительными комплексными значениями и размерами образцов, а также с местами их расположения в резонаторе. Для измерения диэлектрической проницаемости образца его располагали в пучности электрического поля, а для измерения магнитной проницаемости образец размещался в пучности магнитного поля. Каждый измерительный резонатор имел собственный набор частот (fn\ где п - целое число, равное числу полуволн, укладывающихся в резонаторе. Исследуемый образец устанавливался в центре резонатора в плоскости, перпендикулярной оси волновода. При этом для нечетных п образцов оказывался в пучности электрического (Е) поля резонатора, а для четных п- в пучности магнитного (В) поля. Расчет искомых значений проводился по формулам