ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 138-141
_ ЛАБОРАТОРНАЯ _
- ТЕХНИКА -
УДК 537.334+678.036.34
ПЛАЗМЕННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ "ЯШМА-2"
© 2004 г. П. С. Ананьин, Д. Д. Баинов, Л. Г. Косицын, В. П. Кривобоков,
В. Н. Легостаев, С. В. Юдаков
НИИ ядерной физики при Томском политехническом университете Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 2а E-mail: krivobokov@npi.tpu.ru Поступила в редакцию 16.12.2003 г.
Описана лабораторная установка для нанесения покрытий на поверхность твердых тел с помощью плазмы магнетронного разряда и ионных пучков. Приведены ее основные технические характеристики и функциональные возможности.
Создание лабораторных установок для экспериментов по модифицированию физико-химических свойств поверхности твердых тел и оптимизации параметров технологического процесса является важной задачей для многих отраслей промышленности. Для технологий, связанных с использованием пучков ускоренных ионов и низкотемпературной плазмы, это особенно актуально. Опыт свидетельствует, что практически каждая плазменная технология требует отработки своих собственных технических решений.
В последние годы проявляется интерес к подобному оборудованию на основе магнетронных распылительных систем (м.р.с.). Плазма магнетронного разряда в сочетании с пучками ускоренных ионов является удобным средством для получения тонких пленок [1]. В частности, она очень эффективна в технологиях осаждения оптических покрытий.
В данной статье описана разработанная авторами многоцелевая лабораторная установка "Яшма-2" для нанесения многослойных модифицирующих покрытий на поверхность твердотельных образцов для научных исследований, а также оптимизации параметров технологического процесса плазменной обработки в условиях промышленного производства.
Основной элемент установки - охлаждаемая рабочая камера 1 (рис. 1) из нержавеющей стали. В ней расположены ионный источник с замкнутым дрейфом электронов 20 [2], револьверная головка с тремя магнетронами 13, а также дополнительные магнетроны 10, тип и набор которых определяется оператором в соответствии с программой работы. На верхнем фланце камеры установлен источник высокоэнергетичных ионов 11, который предназначен для перемешивания атомов вблизи границы раздела "покрытие-под-
ложка" с целью улучшения адгезии покрытия по отношению к подложке. Он обеспечивает пучок ионов аргона с энергией до 50 кэВ и током до 40 мА. Диаметр пучка - 300 мм [3].
К рабочей камере примыкают шлюзовая камера 7, отделенная от нее специально разработанным высоковакуумным затвором 14, а также системы вакуумирования, напуска рабочего газа, контроля толщины наносимых покрытий, устройство сканирования обрабатываемых образцов и другие элементы. Установка снабжена источниками питания всех исполнительных органов и системой управления.
Процесс нанесения покрытия на твердотельную подложку начинается с подготовки установки к работе. В исходном состоянии шлюзовую камеру откачивают вместе с рабочей камерой до давления 10-3 Па. Затем закрывают высоковакуумный затвор 14 и в шлюзовую камеру напускают воздух. Подложки, предназначенные для обработки, помещают на предметный стол 19. После этого шлюзовую камеру вакуумируют и открывают затвор 14.
Первая процедура - очистка поверхности образца, на которую предстоит нанести покрытие. Для этого предусмотрен ионный источник с замкнутым дрейфом электронов 20, находящийся под потенциалом 1-5 кВ. В него подают рабочий газ (аргон или кислород с расходом 0.1-0.5 см3/с). Источник расположен на расстоянии 70-120 мм от поверхности образца. Эксперименты показали, что оптимальным является флюенс ионов на уровне (1-2) ■ 1016 см-2. Средняя скорость движения предметного стола составляет 2-4 см/с. Поэтому указанный флюенс достигается за 1-3 прохода (с поправкой на то, что в ускоряющем промежутке имеют место значительный встречный ток электронов и поток нейтралов, образовав-
ПЛАЗМЕННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИИ
139
Напуск воздуха
Напуск воздуха
Направление откачки
10 11
Напуск рабочего газа
12 13 14 15 16
Направление откачки
Направление откачки
17 18
Направление откачки
Рис. 1. Схема оборудования рабочей камеры установки "Яшма-2". 1 - рабочая камера; 2, 4 - клапаны напуска воздуха; 3, 5 - термопарные вакуумметры; 6 - фотоэлектронный умножитель; 7 - шлюзовая камера; 8 - управляемый натекатель системы напуска газа; 9 - дверь рабочей камеры; 10 - дополнительная м.р.с.; 11 - источник высокоэнергетичных ионов; 12 - ионизационный вакуумметр; 13 - револьверная головка с тремя м.р.с.; 14 - высоковакуумный затвор; 15 - монохро-матор; 16 - источник света; 17 - образец; 18 - дверь шлюзовой камеры; 19 - предметный стол в положении загрузки; 20 -источник ионов с замкнутым дрейфом электронов; 21 - предметный стол с вращающимся диском; 22 - магнитная муфта; 23 - дроссельная заслонка. Стрелками указаны газовые потоки и направления движения механизмов.
шихся в результате рекомбинации ионов). Следует отметить, что длина ионного источника составляет около 700 мм. Поэтому обработке подвергаются все образцы, расположенные на предметном столе.
Затем предметный стол с образцами перемещают в шлюзовую камеру, а в рабочую камеру с помощью системы напуска газов через управляемый натекатель 8 подают рабочий газ под давлением, близким к оптимальному для нормального функционирования магнетронов (~10-1 Па). При этом скорость откачки регулируют дроссельной заслонкой 23. Контроль давления осуществляется по показаниям термопарных (3, 5) и ионизационного (12) вакуумметров. После этого проводится тренировка мишеней магнетронов, и установка готова к работе.
Работа по нанесению покрытий включает следующие операции.
Вначале на обработанную ионным пучком поверхность образцов наносится первый слой, толщина которого должна быть меньше проективной длины пробега ионов аргона с энергией 30 кэВ (это составляет примерно 40 нм). Далее образцы в течение нескольких минут облучаются ионами аргона с энергией 20-45 кэВ, чтобы добиться внедрения осажденных атомов в подложку. Затем осаждают второй, третий и последующие слои в соответствии с программой работы оператора. После этого предметный стол с образцами переводят в шлюзовую камеру, высоковакуумный затвор закрывают, в шлюзовую камеру напускают воздух. Обработанные образцы извлекают, а на
140
АНАНЬИН и др.
Г
1_
J
Рис. 2. Блок-схема системы управления установкой "Яшма-2".
их место помещают другие, и процедура плазменной обработки образцов повторяется.
Конструкция установки имеет несколько особенностей, которые определяют ее достоинства.
1. Наличие револьверной головки 13, на которой установлены три планарные м.р.с. Она позволяет быстро (в течение 2-3 с), сохраняя вакуум, менять магнетроны (или типы мишеней), наносить многослойные покрытия в едином технологическом цикле, экономить пространство рабочей камеры и не создавать в ней дополнительных отверстий, что улучшает чистоту рабочего газа и качество наносимых покрытий.
2. "Яшма-2" является полуавтоматической установкой. Пульт управления - персональный компьютер. Система управления построена по централизованной схеме (см. рис. 2). Базовым элементом является микроконтроллер, который обеспечивает управление технологическим оборудованием установки в реальном масштабе времени. Это происходит через плату ввода-вывода, которая выполняет функцию согласования уровней сигналов. Плата контроллера связана с управляющим компьютером через оптоизолиро-ванный интерфейс ЯБ232. Система управления способна предотвратить многие виды аварийных ситуаций. Наличие блокировок (на уровнях элек-
троники сопряжения, контроллера и управляющего компьютера) не позволяет исполнительным механизмам выйти из строя из-за ошибок оператора или сбоев в работе оборудования. Параметры процесса напыления (выбор м.р.с. или источника ионов, скорость и количество проходов предметного стола, положение дроссельной заслонки и т.д.) задаются через управляющую программу, но сам процесс напыления контролируется оператором. Процедуры включения и выключения установки или отдельных ее элементов, процесса вакуумирования и т.д. регламентируются специальными программами, которые хранятся в контроллере. Их выполнение не требует участия оператора. Необходимо лишь через управляющую программу подать команду, направленную на выполнение этих процедур. Предусмотрены дополнительные команды и инженерный вариант управляющей программы, позволяющий оперировать с отдельными элементами оборудования, не затрагивая при этом всей установки в целом.
3. Предусмотрено размещение в рабочей камере дополнительной м.р.с. 10. Это расширяет функциональные возможности установки и практически снимает ограничения на типы и размеры используемых магнетронов.
4. Образцы поступают в область обработки на предметном столе сканирующей системы. В зави-
ПЛАЗМЕННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
141
симости от решаемых задач он может использоваться в режиме как поступательного, так и вращательного движения. Предусмотрен специальный диск 21, которому передается вращение с помощью магнитной муфты 22 при остановке стола в крайнем положении. Режим движения задается оператором.
5. Источник света 16, монохроматор 15 и фотоэлектронный умножитель 6 представляют собой фотометрическую систему контроля толщины пленок. Она особенно эффективна при контроле процесса напыления "четвертьволновых" диэлектрических слоев. В других случаях необходимо предварительно знать коэффициент отражения этой волны при достижении каждой пленкой заданной толщины. Такая задача решается, например, с помощью численного моделирования оптических свойств слоистых структур.
Установка имеет следующие технические характеристики: максимальный размер обрабатываемых образцов 500 х 500 х 30 мм; размер мишеней м.р.с. на револьверной головке 105 х 700 х 8 мм; максимальная потребляемая мощность 16.5 кВт; размер рабочей камеры 1450 х 1000 х 500 мм; об-
щая площадь, занимаемая установкой, 12 м2; высота 2500 мм; масса 800 кг.
Опыт эксплуатации установки "Яшма-2" показал, что она весьма удобна и над
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.