ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, № 12, с. 36-44
УДК 533.924
МЕХАНИЗМЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЕДЕНИЯ МИКРОЧАСТИЦ ВАКУУМНОЙ ДУГИ ВБЛИЗИ И НА ПОТЕНЦИАЛЬНОМ ЭЛЕКТРОДЕ,
ПОГРУЖЕННОМ В ПЛАЗМУ © 2013 г. А. И. Рябчиков*, Д. О. Сивин, А. И. Бумагина, В. К. Струц
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Россия
Поступила в редакцию 15.07.2013 г.
Экспериментально обнаружено, что импульсно-периодический потенциал смещения обеспечивает многократное уменьшение содержания микрочастиц на поверхности. Установлено, что имеет место несколько механизмов, отвечающих за уменьшение количества микрочастиц на мишени. Эксперименты с мелкоструктурной сеткой позволили установить, что менее 10% микрочастиц, заряженных отрицательно в плазме, могут быть отражены в электрическом поле слоя разделения заряда вблизи образца. Значительное уменьшение плотности микрочастиц происходит после непосредственного взаимодействия микрочастицы с образцом в условиях высокочастотного короткоимпульсного отрицательного потенциала смещения. Почти двухкратное уменьшение поверхностной плотности микрочастиц обусловлено ионным распылением. Достигнуто уменьшение поверхностной плотности микрочастиц в 12 раз при облучении мишени в течение 2 мин.
Б01: 10.7868/80207352813120159
ВВЕДЕНИЕ
Вакуумно-дуговая плазма отличается высокой степенью ионизации продуктов эрозии материала катода. Это преимущество обеспечивает широкое практическое применение вакуумно-дуговых ионно-плазменных технологий для осаждения многофункциональных покрытий различного назначения [1—7]. По мере развития работ по модифицированию свойств поверхностных и приповерхностных слоев материалов и покрытий имплантацией ионов импульсная и непрерывная вакуумная дуга как источник плазмы нашла применение в технологиях изготовления источников ионов металлов [8—11]. В плазменно-иммерсион-ной ионной имплантации, обеспечивающей трехмерную ионную обработку поверхностей материалов, непрерывный вакуумно-дуговой разряд пока не получил практического применения. В ряде работ рассматривается возможность использования для этого только импульсной вакуумной дуги [12, 13]. Основной недостаток вакуум-но-дугового разряда, существенно ограничивающий области его возможного применения, связан с наличием в плазме значительного количества микрочастиц, появляющихся при взрыве микро-острий на рабочей поверхности катода [14—16]. Микрокапли имеют размеры от 0.1 мкм до 100 мкм при скоростях от 1 м/с до 250 м/с [15, 17—19]. Наличие в потоке металлической плазмы микрочастиц при формировании покрытий приводит к появлению пор, ухудшению однородности покрытий,
* Е-шаП: ralex@tpu.ru.
существенному увеличению их шероховатости. Все это в комплексе значительно ухудшает эксплуатационные свойства покрытий [20]. В случае плазменно-иммерсионной имплантации ионов металлов из плазмы непрерывной вакуумной дуги поверхность обрабатываемой мишени очень быстро покрывается слоем микрочастиц. Это означает, что последующая имплантация ионов с целью модифицирования структуры и свойств поверхностного слоя мишени теряет всякий смысл.
Для очистки плазмы вакуумной дуги от микрокапельной фракции разработано много различных конструкций плазменных фильтров [20—23]. Плазменный фильтр позволяет многократно уменьшить количество микрочастиц, но при этом существенно уменьшается концентрация плазмы. При этом принципиально важным представляется поиск альтернативных методов удаления микрочастиц из потока вакуумно-дуговой плазмы или с поверхности материала в процессе ионно-плазменного осаждения покрытий или плазмен-но-иммерсионной имплантации ионов металлов и газов. В литературе обсуждаются различные возможности испарения микрочастиц в плазме вакуумной дуги как при увеличении концентрации плазмы на несколько порядков при применении дополнительного высокочастотного разряда, так и за счет дополнительного облучения микрочастиц электронным пучком [24—26].
Очень интересный вариант уменьшения количества и поверхностной плотности микрочастиц, осаждаемых на образец при формировании покрытия, экспериментально обнаружен в [27, 28].
Авторы этих работ наблюдали эффект уменьшения плотности микрочастиц на поверхности покрытия в 3—4 раза при увеличении отрицательного потенциала смещения на образце, погруженном в плазму, до фсм = —1000 В. Важно отметить, что эффект наблюдался после десятиминутного осаждения покрытий. Авторы, опираясь на данные работ [19, 29, 30], предположили возможность отражения микрочастиц вакуумно-дугово-го разряда от находящейся под постоянным потенциалом поверхности образца. Было высказано предположение, что эффект основан на первоначальном накоплении микрочастицей в плазме отрицательного заряда и последующего ее торможения и отражения в электрическом поле слоя разделения заряда вблизи поверхности отрицательно заряженного образца, погруженного в плазму. В работе [31] исследована возможность усиления эффекта отражения микрочастиц за счет увеличения температуры электронов плазмы и, соответственно, увеличения потенциала, до которого микрочастицы, летящие в плазме, будут заряжаться. Для этого использовали не только плазму обычного вакуумно-дугового разряда, но и газоразрядную плазму несамостоятельного дугового разряда низкого давления с накаленным катодом [32]. После осаждения покрытия в течение 10 мин экспериментально наблюдалось уменьшение плотности микрочастиц почти в пять раз при постоянном потенциале смещения до —1 кВ. Для объяснения эффекта уменьшения количества микрочастиц на поверхности образца привлекалась та же физическая модель. В работах [33, 34] было показано, что в условиях применения ко-роткоимпульсного высокочастотного потенциала смещения наблюдается как уменьшение плотности микрочастиц на потенциальной поверхности, так и существенная трансформация их размеров и формы.
Настоящая работа посвящена более детальному исследованию влияния времени обработки, длительности импульса, частоты следования, амплитуды импульса отрицательного потенциала смещения на образце, погруженном в газовую, металлическую или газометаллическую плазму, на поведение микрокапель вакуумно-дугового разряда вблизи поверхности образца и непосредственно на ней. Задача исследований заключалась также в проверке предложенного механизма уменьшения поверхностной плотности микрочастиц.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследование влияния короткоимпульсного высокочастотного отрицательного потенциала смещения на поведение микрочастиц вакуумно-дуговой плазмы вблизи и на поверхности потенциального образца проводилось на установке, описанной в [34, 35]. Вакуумно-дуговой генера-
тор плазмы с титановым катодом устанавливался на боковом фланце вакуумной камеры и работал в непрерывном режиме с током дуги 90 А. Дуговой генератор с накаленным катодом "ПИНК" [32] обеспечивал формирование плазмы аргона и устанавливался на верхнем фланце вакуумной камеры. Соотношение концентраций металлической и газовой плазмы вблизи поверхности образца регулировалось изменением положения образца в камере.
При проведении исследований использовались два генератора короткоимпульсных высокочастотных потенциалов смешения отрицательной полярности. Один из генераторов обеспечивал отрицательный потенциал смещения на образце с параметрами: длительность импульса 2.4 мкс, частота следования 2.4 х 105 имп./с. Амплитуда потенциала смещения при проведении экспериментов с данным генератором варьировалась в пределах 0.5—2 кВ. Второй генератор обеспечивал возможность изменения длительности импульса в диапазоне от 1 до 9 мкс при фиксированной частоте следования импульсов 105 имп./с. Генератор позволял изменять амплитуду отрицательного потенциала смещения от 0.5 до 3.5 кВ
В экспериментах использовались образцы из сплава УТ-6, нержавеющей стали, вольфрама и стеклокерамики. Поверхность образцов предварительно полировалась до достижения шероховатости Яа = 0.035 мкм. Образцы устанавливались на массивном держателе. Расстояние от образцов до катода вакуумно-дугового испарителя в разных экспериментах варьировалось в пределах от 50 до 70 см в зависимости от необходимой концентрации плазмы вблизи образца. В экспериментах с керамической мишенью на пути потока вакуумно-дуговой плазмы для уменьшения ее концентрации устанавливались дополнительные металлические сетки. Держатель с образцами располагался внутри экрана, и при подаче отрицательного импульсно-периодического потенциала смещения на образец, погруженный в плазму, ионному облучению подвергалась только поверхность образцов, а не весь держатель. Большая масса держателя и малый размер образцов обеспечивали возможность проведения экспериментов при температурах образца, слабо меняющихся во времени.
При проведении экспериментов использовалось несколько вариантов облучения, отличавшихся по составу и плотности плазмы. В первом варианте концентрация плазмы аргона у поверхности образца была пА = 8 х 109 см-3 и превышала более чем в два раза концентрацию титановой плазмы (пТ = 3.8 х 109 см-3). Во втором варианте облучения, наоборот, концентрация титановой плазмы была равна пТ1 = 6.9 х 109 см-3 и существенно превышала концентрацию плазмы аргона (пАг = 1.3 х 109 см-3). В ряде экспериментов использовалась только плазма вакуумной дуги с
концентрацией пТ1 = 6.9 х 109 ион/см3. В экспериментах с диэлектрической мишенью концентрация металлической плазмы вблизи ее поверхности составляла ~3.3 х 109 см-3.
Температура поверхности образцов при проведении экспериментов измерялась инфракрасным термометром. Первоначально поверхность образцов подвергалась ионной очистке с использованием аргоновой плазмы и короткоимпульсного высокочастотного потенциала смещения. При этом образец нагревался до температуры 300-500°С. В некоторых экспериментах вместо сплошного электрода для создания электрического поля вблизи поверхности использовались вольфрамовые сетки с размером ячейки 0.08 мм и 0.5 мм. Для уточнения механизма отражения микрочастиц от потенциальной поверхности были выполнены также эксперименты с осаждением плазмы вакуумн
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.