ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 1, с. 100-105
УДК 621.793:537:539.234
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ПРОБОЯ ОКСИДНЫХ ПОКРЫТИЙ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОДЛОЖКАХ
© 2015 г. А. А. Лозован1, С. С. Александрова1, С. Ф. Белых1, Р. Х. Якубов2, А. А. Пшеничный2, Р. Н. Ризаханов3, С. К. Сигалаев3, В. А. Казаков3
1МАТИ — Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского,
109383 Москва, Россия
2Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова, 127055Москва, Россия 3Исследовательский центр им. М.В. Келдыша, 125438 Москва, Россия E-mail: loz-plazma@yandex.ru Поступила в редакцию 24.02.2014 г.
Представлены результаты исследований поверхностного пробоя покрытий ZrO2, HfO2 и CeO2 толщиной до 100 мкм, напыленных на металлические подложки. Исследованы состав и структура покрытий. Показано, что наиболее высокое напряжение поверхностного пробоя демонстрирует покрытие CeO2, имеющее структуру типа "цветная капуста".
Ключевые слова: оксидные покрытия, поверхностный пробой, рентгенофазовый анализ, морфология поверхности.
Б01: 10.7868/80207352815010151
ВВЕДЕНИЕ
Разряд по поверхности изолятора (перекрытие) в вакууме интенсивно изучается довольно давно [1—3] в связи с различными практическими применениями, в том числе в импульсной коммутационной аппаратуре, в устройствах поджига основного разряда вакуумно-дуговых испарителей, в качестве источника ультрафиолетового излучения и др. Особенно важно использование искрового разряда по диэлектрику в вакууме в металло-диэлектрических катодах для получения мощных пучков электронов и ионов. Такой разряд иногда называют скользящим [4].
Наличие диэлектрика в разрядном промежутке существенно усложняет картину разряда по сравнению с вакуумом. Электрическое поле в области контакта катод—диэлектрик возрастает за счет микрозазоров. Картина разряда существенно усложняется также такими явлениями, как вторичная электронная эмиссия с диэлектрика, зарядка поверхности диэлектрика, а также десорбция газа с нее [4]. Важную роль начинает играть контакт диэлектрика и катода, в котором большое значение имеют тройные точки: металл—диэлектрик—вакуум. Дискуссионным остается вопрос о характере электронной эмиссии в этих точках. Кроме того, на формирование разрядной структуры влияют вид диэлектрика и его свойства, параметры напряжения, геометрия разрядного промежутка, шероховатость поверхности электродов и изолятора.
Несмотря на широкие исследования электрического пробоя как по поверхности, так и по объему диэлектриков, количественная теория роста разрядных структур до сих пор не создана. Обусловлено это большим количеством взаимосвязанных процессов, происходящих при образовании проводящих каналов, многомасштабностью явления, приводящей к необходимости рассмотрения процессов как на микро- так и на макроскопическом уровнях, а также неустойчивым стохастическим характером фазового перехода диэлектрика в проводящее состояние [5]. Большинство исследователей согласно в том, что процесс пробоя состоит из нескольких стадий — эмиссия электронов из катода, бомбардировка ими поверхности диэлектрика, приводящая к электронной лавине, стимулированная десорбция газов, их последующая ионизация и пробой [6, 7]. Напряжение пробоя по поверхности, как правило, в 10—20 раз ниже пробивного напряжения собственно материала и в 2—3 раза ниже пробивного напряжения вакуумного зазора той же длины.
Накопленный к настоящему времени значительный объем экспериментальных данных не позволяет однозначно определить оптимальный вид диэлектрика для разрядной системы, однако дает возможность существенно сузить набор материалов, способных обеспечить решение задачи. В последние годы для решения задач наноэлек-троники проводились интенсивные исследования различных тонкопленочных оксидов. Исследований электрических свойств оксидных по-
крытий с толщиной в десятки и сотни микрон крайне мало.
Задачей данной работы являлось исследование влияния состава и структуры покрытий из диоксидов циркония, гафния и церия (широко применяющихся в электронике и при создании теплозащитных покрытий) толщиной до ~100 мкм на характеристики поверхностного пробоя [8—10].
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В качестве материала покрытий были выбраны ZrO2 + 25% Y2O3, HfO2 + 20% Y2O3 и CeO2, имеющие довольно высокое значение диэлектрической проницаемости. Напыление покрытий проводили испарением таблеток на модернизированной установке "Оратория" с электронно-лучевой пушкой EGL-35-M фирмы ULVAC (Япония). Цилиндрические подложки диаметром 8 мм, были изготовлены чистовым точением из ковара 29 НК, никелевого сплава НП-2 и АМц, имеющих различные коэффициенты температурного расширения (КТР). Перед загрузкой в камеру установки образцы промывали в ультразвуковой ванне с бензином и ополаскивали ацетоном. Вместе с образцами в камере устанавливали образцы-свидетели из тех же материалов или из полированной нержавеющей стали SUS 304. Расстояние от таблетки до образца — 90 мм. После загрузки образцов в камеру проводили очистку подложек плазмой тлеющего разряда при давлении Ar 10 Па и напряжении горения разряда U = 800 В в течение 10 мин. Перед напылением проводили нагрев подложек до температуры 350 и 500°C отдельным электронным источником. Процесс испарения таблеток оксидов проводили при давлении не выше 6 х 10-3 Па, токе эмиссии пушки 150 мА и ускоряющем напряжении 6 кВ. Время напыления покрытий 30 мин.
Толщину покрытий определяли бесконтактным профилометром MicroXAM-100 (KLA-Ten-cor, Inc.). Исследование структуры и химический анализ образцов проводились на оптическом микроскопе Axiovert 25 CA и растровом электронном микроскопе FEI Quanta 600FEG c системой микроанализа EDAX Trident XM4. Микроструктуру покрытий определяли с помощью рентгено-фазового анализа (РФА) в расходящемся пучке по Зееману—Болину на вертикальном рентгеновском дифрактометре Shimadzu XRD-6000 с моно-хроматизированным излучением меди с длиной волны ХКасР = (2ХКа1 + ^Ka2)/3 = 1.54178 Â. Кристаллические фазы идентифицировали по банку данных ICDD-2003. КР-спектры образцов исследовали с помощью спектрометра комбинационного рассеяния света Horiba Jobin Yvon T64000. Адгезию покрытий проверяли методом отрыва
Рис. 1. Микрофотографии покрытий Z1O2 + 25% Y2O3 на коваре (а) и HfO2 + 20% Y2O3 на АМц (б).
липкой ленты и проверкой на оптическом микроскопе наличия частиц покрытия на ней.
Для испытания на пробой к образцам с напыленным покрытием (анод разрядной системы) с помощью оправки крепился аналогичный по форме и составу второй электрод (катод), образуя таким образом осесимметричную разрядную систему с однородным полем. Оправка с электродами помещалась в камеру, которую откачивали до давления не выше 1.33 х 10-3 Па. На образец с нанесенным покрытием с интервалом в 6 с подавались высоковольтные импульсы с напряжением до 3.5 кВ, длительностью 30 мкс и крутизной фронта 10 кВ/мкс. В случае пробоя проводилась регистрация сигнала с помощью осциллографа Tektronix TDS 2024B. По регистрируемому сигналу определялось максимальное напряжение пробоя. Количество подаваемых импульсов не превышало 300.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Оптические фотографии покрытий ZrO2 + + 25% Y2O3 на коваре и HfO2 + 20% Y2O3 на АМц толщиной 70 мкм представлены на рис. 1а и б соответственно. На поверхности диоксида циркония видны поры разного размера. Существенное различие в КТР покрытий из обоих оксидов и подложки проводило к растрескиванию покрытий, напыленных на АМц (рис. 1б). Химический
0.6 0.5 « 0.4 I 0.3 0.2 0.1
0
7Г02
20
40
60 80 N
100 120 140
Рис. 2. Зависимость напряжения пробоя от количества импульсов для образца с покрытием ZгO2 + 25% У20з на подложке 29НК.
*
(а) 1 мм
Рис. 3. Микрофотографии покрытия Се02, напыленного на подложку из ковара, при разном увеличении.
Се02
2.5 2.0 ® 1.5 1 1.0 ^0.5
50
100
150 N
200 250 300
Рис. 4. Зависимость напряжения пробоя от количества импульсов для образца с покрытием Се02 на подложке из ковара.
состав покрытий практически соответствовал составу испаряемого материала. Данные покрытия толщиной 100 мкм на всех используемых подложках показали низкие значения напряжения пробоя, что по-видимому связано со столбчатой структурой этих покрытий и значительной пористостью. Результат испытания покрытия ZгO2 + 25% У203 на подложке 29НК представлен на рис. 2.
Толщина покрытий Се02, напыленных по режиму, указанному выше, на различные подложки, также составляла 100 мкм. Нанесение покрытий СеО2 на подложки из АМц и НП-2 приводило к сколам покрытия по слоям. Покрытия Се02, напыленные на подложки из ковара при Т = 350°С, обладали хорошей адгезией и не расслаивались (рис. 3).
На рис. 3б хорошо видны борозды после токарной обработки и микрочастицы сферической формы. Микрочастицы в первом приближении представляют собой капли, выброшенные из расплава, находившегося в тигле испарителя. Следует отметить, что микрочастицы обнаружены на поверхности всех трех напыляемых оксидов.
При напылении использовали режим, обеспечивающий высокую степень пересыщения при осаждении испаряемых частиц на подложку, что приводит к интенсивному зародышеобразованию и высокой морфологической однородности формируемого покрытия. Кроме того, пересыщение обеспечивает высокую скорость осаждения покрытия, что снижает вероятность захвата сторонних проводящих частиц, резко снижающих напряжение пробоя покрытия по объему. С другой стороны, микрочастицы ухудшают морфологию поверхности покрытия, что часто отрицательно сказывается на величине напряжения поверхностного пробоя изолятора.
Покрытия Се02 на коваре показали хорошие результаты при испытаниях на пробой. На рис. 4 показана зависимость напряжения пробоя от количества импульсов для образца с покрытием Се02 на подложке из ковара. Испытание показало стабильное значение напряжения пробоя порядка 2 кВ для всех 300 импульсов.
Морфологию покрытия Се02 исследовали с помощью РЭМ. На рис. 5 представлено изображение поверхности покрытия Се02 на подложке из ковара при различных увеличениях. Видно, что кристаллиты имеют кон
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.