ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 6, с. 127-130
ЛАБОРАТОРНАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ТЕХНИКА
УДК 621.3.032.14
УСТАНОВКА МАГНЕТРОННОГО НАПЫЛЕНИЯ ГЕТТЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ В МАЛОАПЕРТУРНЫХ КАМЕРАХ
© 2009 г. В. В. Анашин*, А. А. Жуков*, А. А. Краснов*, **, А. М. Семенов*
*Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11 **Новосибирский государственный университет Поступила в редакцию 31.03.2009 г.
Описывается установка магнетронного распыления тонкопленочных покрытий, предназначенная для нанесения геттерных покрытий в протяженных вакуумных структурах сложной апертуры. Примененный в установке соленоид (0600 мм, длиной 6000 мм и максимальным полем 800 Гс) позволяет распылять материалы на внутренние стенки вакуумных камер практически всех типов, используемых в современных ускорителях. Представлены результаты нанесения геттерного покрытия TiZrV в малоапертурных алюминиевых вакуумных камерах, предназначенных для установки в прямолинейных секциях источника синхротронного излучения PETRA III (DESY, Германия). Атомный состав и однородность пленки по длине исследованы в ИЯФ СО РАН на канале SR-XRF-анализа.
PACS: 81.15.Cd
ВВЕДЕНИЕ
При разработке вакуумных систем специализированных источников синхротронного излучения необходимо обеспечить возможность поглощения мощного синхротронного излучения и достижения высокого вакуума в длинных малоапертурных камерах пучка заряженных частиц. В условиях низкой молекулярной проводимости камер и интенсивной десорбции молекул газа со стенок под действием синхротронного излучения для достижения динамического давления на уровне 10~9 Торр необходима система распределенной откачки. Традиционно для этого используют нераспыляемое геттерное покрытие на ленте, устанавливаемой в вакуумной камере специальной формы.
Одно из наиболее эффективных современных решений — это использование нераспыляемых геттеров, наносимых непосредственно на внутреннюю поверхность вакуумной камеры [1]. В этом случае вся внутренняя поверхность камеры трансформируется из источника газовыделения в поглотитель остаточных газов. В результате поисков найден оптимальный состав нераспыля-емого геттерного покрытия (н.э.г.) Т (30%)— Zr (20%)—V (50%) с температурой активации 180°С [2]. Низкая температура активации геттера расширяет область его применений на камеры из алюминиевых сплавов, нагрев которых ограничен температурами 200—250°С вследствие резкого снижения предела текучести материала и, следовательно, возможности разрушения камеры под действием внешнего атмосферного давления.
Ниже описывается созданная в ИЯФ СО РАН установка нанесения тонкопленочных геттерных
покрытии в протяженных вакуумных камерах сложного сечения. Установка использовалась, в том числе, для напыления геттерного покрытия состава TiZrV в алюминиевых вакуумных камерах вигглеров секции охлаждения пучка нового источника синхротронного излучения PETRA III (Гамбург, Германия) [3]. Приводятся результаты измерения атомарного состава полученного покрытия и однородности покрытия по толщине.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Упрощенная схема установки магнетронного распыления показана на рис. 1.
Установка состоит из электромагнитной и ваку-умнои систем. Электромагнитная система содержит водоохлаждаемый соленоид (длина ~6000 мм, 0внуг 600 мм, максимальное магнитное поле 800 Гс при токе 1.2 кА) и катоды, устанавливаемые внутри напыляемой камеры и соединенные с источником напряжения через высоковольтные вводы. Эта система создает скрещенное электромагнитное поле внутри камеры. Допускается установка до четырех катодов с независимыми источниками напряжения.
Вакуумная система обеспечивает откачку до 10-9 Торр (до напыления н.э.г.), инжекцию криптона, водорода и других газов. Откачка осуществляется с помощью турбомолекулярного NR и безмасляного форвакуумного NI насосов. Измерение давления осуществляется с помощью четырех вакуумметров разного типа и квадрупольного масс-анализатора. Инжекция газов контролируется с помощью теплоэлектрического вакууммет-
PT PM
Рис. 1. Схема установки магнетронного напыления. РТ — теплоэлектрический вакуумметр; РМ — вакуумметр с холодным катодом; 5 — масс-анализатор; КЯ — турбомолекулярный насос; N1 — форвакуумный насос; УТ — натекатель; VI, У2 — вентили; РА 1, РА2 — вакуумметры с горячим катодом.
ра РТ и квадрупольного масс-анализатора Б. Вакуумметры с горячим катодом РА 1 и РА2 предназначены для определения перепада давлений на камере при инжекции водорода. Давление в вакуумной системе контролируется вакуумметром с холодным катодом РМ.
Для обеспечения стабильного и равномерного разряда по длине в малоапертурных камерах необходимо, чтобы ларморовский радиус электронов был, по крайней мере, в 3 раза меньше минимального расстояния от катода до стенки камеры. Данное условие приводит к оценке: БЬ > 10V0 5 [Гс • см], где Б, Гс — индукция магнитного поля; Ь, см — минимальное расстояние от катода до стенки вакуумной камеры; V, В — напряжение на катоде.
Для данной установки при характерном напряжении разряда 250 В расстояние равно Ь = 0.2 см.
Отметим, что в малоапертурных камерах необходима достаточно точная юстировка катодов параллельно оси камеры. Поэтому в данной установке предусмотрена двухточечная фиксация катодов с возможностью небольшого натяжения последних. В результате значительно упрощается юстировка катодов и отпадает необходимость в точной вертикальной выставке камеры.
НАПЫЛЕНИЕ В ВАКУУМНЫХ КАМЕРАХ СЛОЖНОГО СЕЧЕНИЯ
В рамках сотрудничества между DESY (Гамбург, Германия) и ИЯФ СО РАН (Новосибирск, Россия) предусмотрено нанесение геттерного покрытия Т^^ на алюминиевые вакуумные каме-
ры (длиной 4.2 м), которые планируется использовать в вигглерах нового источника синхротрон-ного излучения PETRA III. Камеры имеют сложное поперечное сечение, включающее эллипс, окружность и плоские участки (рис. 2). Высота апертуры камеры составляет от 10 до 17 мм, а полная ширина — 130 мм. Очевидно, что получить равномерное покрытие в такой камере практически невозможно. Поэтому разумное количество катодов выбрано из критериев минимально и максимально допустимой толщины покрытия. Исходя из известной растворимости кислорода в Ti и Zr (20—30% атомного состава), можно показать, что пленка толщиной 0.2 мкм способна растворить свой окисел при активации, по крайней мере, 10 раз, т.е. позволяет провести до 10 успешных активаций геттера после вскрытий на атмосферу — этого, как правило, вполне достаточно для вакуумных систем ускорителей. Верхний предел толщины покрытия 2—3 мкм выбран эмпирически: он ограничивается опасностью отшелушивания покрытия из-за разности температурных коэффициентов расширения пленки и подложки. Расчеты показали (рис. 3), что четыре равноудаленных катода обеспечивают отношение максимальной толщины покрытия к минимальной толщине, равное 7. Катоды изготовлены из трех скрученных проволок Ti, Zr и V диаметрами 0.5 мм.
Напыление проводилось в атмосфере Kr при давлении 0.01 Торр в течение 10 ч. Равномерность тока разряда по длине камеры контролировалась по результатам измерения температуры в пяти равноудаленных точках на камере во время напыления.
УСТАНОВКА МАГНЕТРОННОГО НАПЫЛЕНИЯ ГЕТТЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ
129
Рис. 2. Апертура алюминиевой камеры.
h, мкм
X, мм
Рис. 3. Распределение средней толщины покрытия вдоль поперечного сечения. 1 — расчетная кривая, 2 — экспериментальная кривая.
Для количественного определения элементного состава и толщины покрытия использован метод РФА-СИ ("Станция рентгенофлуоресцентно-го элементного анализа", ВЭПП-3, ИЯФ СО РАН) с пучком синхротронного излучения от ускорителя ВЭПП-3 (энергия электронов 2 ГэВ, ток электронного пучка до 100 мА, магнитное поле в вигглере 2 Тл). Станция оборудована моно-хроматором на кристалле Si(111), позволяющем получать монохроматизированный пучок синхротронного излучения с энергией фотонов в пределах 5—46 кэВ. Для регистрации флуоресцентного излучения использовался полупроводниковый детектор на основе кристалла Si(Li) (компании Oxford Instruments) с разрешением 140 эВ.
Знание элементного состава, а именно, соотношения между основными компонентами покрытия — титана, ванадия и циркония — позволило выяснить влияние параметров распыления (диаметр катода, скорость распыления, давление
и др.) на фактический состав покрытия. Для определения однородности нанесенного покрытия проводились измерения его толщины в разных точках камеры.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В результате проведенных экспериментальных геттерных покрытий удалось обеспечить равномерное распределение концентраций и толщины по длине камеры. Так, итоговый усредненный массовый состав покрытия равен Т — 25%, Zr — 32% и V — 43%, при этом атомный составляет: Т — 30.4%, Zr - 20.4% и V - 49.2%. Колебания толщины по периметру сечения камеры находятся в пределах 0.2-1.4 мкм (рис. 3) в хорошем соответствии с результатами предварительных расчетов.
После напыления покрытия предельное давление в камере достигло ~10-10 Торр, а перепад
давлений (при инжекции водорода) на торцах вакуумной камеры составил 103.
ВЫВОДЫ
Для напыления длинных и малоапертурных камер в ИЯФ СО РАН разработана установка маг-нетронного распыления, позволяющая проводить равномерное по длине покрытие стенок камеры слоем геттера при минимальных поперечных размерах камеры до 4 мм и длиной до 6000 мм. В установке предусмотрена система крепления катодов, упрощающая точную выставку катодов по длине камеры.
В результате напылений геттера системы Т^У на алюминиевые камеры источника синхротрон-
ного излучения PETRA III удалось получить однородные покрытия, оптимизированные по составу: Ti - 30.4%, Zr - 20.4% и V - 49.2%. Исследование элементного состава и однородности толщины покрытия проводилось методом РФА-СИ на канале синхротронного излучения ускорите -ля-накопителя ВЭПП-3.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Benvenuti C, Chiggiato P., Cicoira F. et al. // J. CERN Internal Note EST-SM 97-01.
2. Benvenuti C, Chiggiato P., Costa Pinto P. et al. // J. CERN Internal Note EST-SM 99-01.
3. Status of the PETRA III Damping Wigglers. Proc.
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.