научная статья по теме СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ МАГНЕТРОННОГО И ТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ЛЕНТОЧНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ МАГНЕТРОННОГО И ТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ЛЕНТОЧНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ»

Статья поступила в редакцию 24.08.12. Ред. рег. № 1409 The article has entered in publishing office 24.08.12. Ed. reg. No. 1409

УДК 666.1.056.64:669.228:621.793.18

СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ МАГНЕТРОННОГО И ТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ЛЕНТОЧНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ

С.А. Першиков, И.И. Акимов, Н.Н. Краснобаев, А.О. Титов, Д.А. Крюков, В.Б. Смирницкий

ООО «Русский сверхпроводник» 109052 Москва, ул. Нижегородская, д. 70, корп. 2 Тел.: 8-916-248-02-44, e-mail: proton@rhsc.ru, sapershikov@rhsc.ru

Заключение совета рецензентов: 10.09.12 Заключение совета экспертов: 20.09.12 Принято к публикации: 25.09.12

На основе экспериментальных данных по напылению покрытий серебра проведен анализ эффективности методов магнетронного и термического распыления. Для каждого метода учитывали толщину и качество покрытий, затраты энергии и производительность.

Ключевые слова: высокотемпературный сверхпроводник 2-го поколения, ВТСП-2, магнетронное напыление, термическое напыление, защитный слой.

THE COMPARISON OF MAGNETRON SPUTTER DEPOSITION AND THERMAL DEPOSITION OF PROTECTIVE COATING FOR THE HTSC 2nd GENERATION TAPE

S.A. Pershikov, I.I. Akimov, N.N. Krasnobaev, A.O. Titov, D.A. Krukov, V.B. Smirnitsky

"Russian superconductor" Ltd. 70/2 Nizhegorodskaya str., Moscow, 109052, Russia Tel.: 8-916-248-02-44, e-mail: proton@rhsc.ru, sapershikov@rhsc.ru

Referred: 10.09.12 Expertise: 20.09.12 Accepted: 25.09.12

On the basis of experimental data on magnetron sputter deposition and thermal deposition of the silver coatings the effectiveness of mentioned methods has been analyzed in comparison. The thickness and quality of coatings, power consumption and the productivity of each method were taken into account.

Keywords: second-generation high-temperature superconductors, HTS-2, magnetron sputter deposition, thermal deposition, protective coating.

Введение вестно [1-3], что толщина слоя серебра 0,5-2 мкм

является достаточной, чтобы обеспечить насыщение

Для защиты сверхпроводящего слоя в ленточных слоя сверхпроводника кислородом при последующей

высокотемпературных сверхпроводниках 2-го поко- термообработке и защитить сверхпроводник при

ления (ВТСП-2) необходимо нанести тонкослойное гальваническом нанесении финального шунтирую-

покрытие. Материалом с оптимальным сочетанием щего медного покрытия лент. Для нанесения серебра

свойств для такого покрытия является серебро. Из- применяют, помимо других методов, магнетронное

Jit i ^ I I у , Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 10 (114) 2012 fiQ

| ),--■ J;' /-. \. © Научно-технический центр «TATA», 2012

Основные проблемы энергетики и альтернативной энергетики. Сверхпроводящие материалы

распыление и термическое распыление из тигля. При разработке опытной технологии изготовления ленточных сверхпроводников второго поколения выбор метода напыления, помимо качества и толщины покрытия, определяется затратами энергии и материалов, сложностью аппаратуры, удобством эксплуатации и отсутствием взаимного негативного влияния устройств, применяемых в одном вакуумном цикле на различных стадиях изготовления ВТСП-2 многослойной архитектуры.

Экспериментальная установка

Для магнетронного распыления использовали «дуальную» импульсную схему из двух магнетронов, работающих попеременно при частоте 40 кГц. Ток разряда на магнетронах изменяли от 1,0 до 4,5 А, рабочее напряжение от 520 до 580 В, мощность разряда составляет 0,5-2,5 кВА. Расход рабочего газа аргона регулировали электронным регулятором газа РРГ-10. Диапазон рабочих давлений составляет 0,250,45 Па. Перед нанесением серебряного покрытия проводили нагрев образцов до температуры 300350 °С дополнительным резистивным нагревателем, температуру нагрева контролировали термопарой типа ТЖК. Продолжительность магнетронного напыления составляла 10-20 мин.

Термическое напыление проводили из молибденового тигля, закрепленного внутри спирального проволочного нагревательного элемента из вольф-рамрениевого сплава. Сверху тигля закреплен паропровод, свернутый из танталового листа толщиной 0,5 мм и сваренный точечной сваркой. Температуру основания тигля контролировали термопарой типа ТХА. Диапазон рабочих давлений составляет 2,5-10-3 -2,5-10-2 Па. Для снижения расхода энергии и уменьшения уноса паров распыляемого металла устанавливали двойной вертикальный отражательный экран из листового тантала. Принудительный нагрев образцов подложки и введение в камеру аргона или других газов не применяли. Мощность нагревателя изменяли от 1,1 до 1,3 кВт для обеспечения температуры основания тигля от 790 до 820 °С. Продолжительность термического напыления составляла 20 мин.

Оценку качества покрытий проводили методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на электронном микроскопе Supra 50 VP.

Результаты и обсуждение

Оба опробованных способа обеспечивают указанные выше условия формирования на подложке покрытия серебра толщиной 0,5-1 мкм.

На рис. 1 приведены РЭМ фотографии поверхности слоев серебра, напыленных магнетронным напылением, при различном увеличении.

c

Рис. 1. Поверхность слоя серебра, напыленного магнетронным напылением: а - увеличение 2000х;

b - увеличение 5000х; c - увеличение 20 000х Fig. 1. Surface of Ag coating deposited by magnetron sputtering: а - magnification 2000х; b - magnification 5000х; c - magnification 20 000х

На рис. 2 приведены РЭМ фотографии поверхности слоев серебра, напыленных термическим напылением из тигля, при различном увеличении.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (114) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

С.А. Першиков, И.И. Акимов и др. Сравнение методов магнетронного и термического напыления защитного покрытия

5¡gnstA = SE2 MSUHSM3 Photo No. = 4943 Oíto :20 Jul 2012

EUT = 500kV Signai A = SE2 MSUHSMS

WO' б mm Photo Wo. =4941 C-ítE 20 Jul 2012

b

-"WA г

c

Рис. 2. Поверхность слоя серебра, напыленного термическим напылением из тигля: а - увеличение 2000х;

b - увеличение 5000х; c - увеличение 20 000х Fig. 2. Surface of Ag coating deposited by thermal evaporation from the crucible: а - magnification 2000х; b - magnification 5000х; c - magnification 20 000х

На фотографиях видно, что и магнетронный, и термический метод распыления при указанных выше условиях позволяют создать на поверхности подложки сплошной слой серебра без видимых разры-

вов. В обоих случаях слои серебра имеют рельеф и сложены из структурных элементов, имеющих ясно видимые границы. В случае магнетронного распыления эти элементы более округлые и имеют размер около 1-2 мкм. В случае термического распыления элементы более угловатые и имеют бимодальное распределение по размерам: крупные элементы -около 0,3-0,8 мкм, мелкие - не более 0,1 мкм.

Видно, что магнетронное распыление обеспечивает формирование слоя серебра, в котором границы между слагающими слой структурными элементами менее четкие, чем в случае термического напыления. При этом важными технологическими достоинствами метода термического напыления являются: меньшие затраты энергии для образования покрытия сравнимого качества; отсутствие значительных магнитных полей, могущих повлиять на режим работы соседних устройств в вакуумной камере; применение только низковольтного оборудования и отсутствие необходимости применять при напылении аргон.

Выводы

Методы магнетронного и термического распыления при применении разработанных в рамках работы режимов позволяют наносить на подложку покрытия серебра толщиной около 0,5-1 мкм, однородность которых не имеет значительных различий с точки зрения использования их для защиты сверхпроводящего слоя в ленточных сверхпроводниках 2-го рода.

Принимая во внимание качество напыленных покрытий, их толщину, затраты энергии для распыления, простоту управления и производительность, можно заключить, что оба метода могут быть успешно применены при производстве длинномерных лент ВТСП 2-го поколения.

Благодарности

Данная работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (ГК № 16.513.11.3124) в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».

Список литературы

1. Токонесущие ленты второго поколения на основе высокотемпературных сверхпроводников / Под ред. А. Гояла; Пер. с англ.; Ред. пер. А.Р. Кауль. М.: Изд-во ЛКИ, 2009.

2. Goyal A. et al. 1996b. Epitaxial superconductors on rolling-assisted-biaxially-textured-substrates // Appl. Supercond., 4:403-427.

3. Goyal A., 2001. US patent 6,180,570, January 30.

ГХП - TATA — IXJ

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 10 (114) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012

a

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.

Показать целиком