научная статья по теме ВАКУУМНЫЙ АНОДНЫЙ РАЗРЯД КАК ИСТОЧНИК ИОНИЗОВАННЫХ ПОТОКОВ МАТЕРИАЛА ПОКРЫТИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ВАКУУМНЫЙ АНОДНЫЙ РАЗРЯД КАК ИСТОЧНИК ИОНИЗОВАННЫХ ПОТОКОВ МАТЕРИАЛА ПОКРЫТИЯ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2010, том 74, № 2, с. 306-312

УДК 533.9; 621.793

ВАКУУМНЫЙ АНОДНЫЙ РАЗРЯД КАК ИСТОЧНИК ИОНИЗОВАННЫХ ПОТОКОВ МАТЕРИАЛА ПОКРЫТИЯ

© 2010 г. М. М. Никитин

Учреждение Российской академии наук РАН ОИВТ E-mail: ntc-epu@rambler.ru

Катодные и анодные разряды — эффективный источник ионизованных потоков материала покрытия. Особый интерес представляет использование анодных разрядов, в частности, разрядов с термоэлектронным катодом. Разряд обеспечивает в условиях высокого вакуума потоки с регулируемой ионизацией без микрокапельной фазы. Исследованы условия возбуждения и характеристики разряда в интервале напряжений от 50 до 500 В при токах до 5 А. Рассмотрено влияние вакуума, межэлектродного расстояния и температуры нагрева катода. Определены условия получения потоков осаждаемого материала с максимальной ионизацией.

ВВЕДЕНИЕ

Метод вакуумного напыления используют в различных отраслях техники, решая как вопросы повышения эксплуатационной надежности элементов конструкций, так и создания на поверхности слоев с функциональными специальными свойствами.

Способы вакуумного напыления не претерпели существенных преобразований, но изменился способ и уровень энергетического воздействия на процессы, протекающие на межфазной границе и в процессе формирования покрытия. Классическое активирование посредством косвенного нагрева отошло на второй план. Бомбардировка поверхности роста потоком ионов автономного источника или частицами плазмы разряда в настоящее время общепринята и используется практически во всех схемах вакуумного напыления.

Основная роль при этом отводится схемам ионно-плазменного магнетронного распыления и осаждению из плазмы дуги катодной формы. Совершенно другая роль отводится схемам осаждения из плазмы разряда с испаряемым анодом. Из немногочисленных публикаций, посвященных анодным испарителям, следует отметить работы [1—5]. Применяются испарители как с термоэлектронным [1, 3, 8, 9] так и интегрально холодным катодом [5, 6, 10]. Наибольшее применение получили испарители с термоэлектронным катодом. Достоинствами способа напыления с применением данных испарителей является отсутствие микрокапельной фазы и инертных газов в потоке, взаимодействующем с подложкой, высокий рабочий вакуум и возможность гибкого регулирования степени ионизации испаренного потока. Несмотря на внедрение данных испарителей вопросы, касающиеся условий возбуждения разряда

анода и влияния температуры катода и других параметров на его стабилизацию и характеристики, освещены недостаточно полно. В данной работе, на примере несамостоятельного, с термоэлектронным катодом, анодного разряда рассмотрены эти вопросы и показано применение данных испарителей в технологии вакуумного напыления.

ХАРАКТЕРИСТИКИ АНОДНЫХ РАЗРЯДОВ

Схемы анодных испарителей показаны на рис. 1—3. Возбуждение разряда достигается либо натеканием инертного газа в начальный момент и последующим развитием разряда в парах материала анода, либо созданием необходимого давления паров посредством электронной бомбардировки материала анода или простым контактированием электродов.

На рис. 1 представлена схема дугового анодного испарителя [10]. Возбуждение разряда достигается контактированием электродов. На угольном катоде появляется несколько медленно перемещающихся катодных пятен, обеспечивающих эмиссию частиц. Одновременно, под воздействием энергии разряда, нагревается и испаряется материал анода. Более высокое, на порядок и выше, давление насыщенных паров материала анода в сравнении с материалом катода обусловливает развитие анодного разряда. Устанавливается анодная дуга при напряжении около 20 В и токах от 20 до 150 А. Содержание углерода в осаждаемом потоке не превышает нескольких процентов. Для стабилизации дугового разряда в цепи источника питания (60В/50А) устанавливается омическое или индуктивное сопротивление. Степень

■Ж

6

ШШЦД _ г

1

/ /

' / /

+

1

Чардаш/ 2

-' I |-

К насосу

Рис. 1. Схема дугового анодного испарителя: 1 — перемещаемый угольный катод с защитным цилиндром из нержавеющей стали, 2 — тигель с испаряемым материалом под потенциалом анода, 3 — плазма разряда, 4 — перемещаемая защита катода, 5 — заслонка, 6 — держатель подложки с датчиком [10].

А

ф = 0

Рис. 2. Схемы размещения электродов анодных испарителей с термоэлектронным катодом. А — с катодом прямого накала, Б — с косвенно нагреваемым катодом. Здесь ф — угол между осью цилиндрического катодного узла и нормалью к поверхности тигля; 1 — испаряемый материал; 2 — вольфрамовый тигель; 3 — высоковольтный источник: 4 — термоэлектронный катод; 5 — фокусирующий электрод; 6 — защитная фольга; 7 — источник питания нагревателя; 8 — электронно-лучевой нагреватель; 9 — косвенно нагреваемый катод.

ионизации испаренных атомов алюминия на расстоянии от испарителя 5 см составляла 5% [6].

Схемы устройств анодных испарителей с термоэлектронным катодом, за исключением неко-

6 . 7

Рис. 3. Схема установки вакуумного напыления с применением разрядного испарителя анодной формы: 1, 2, 3, 4 — источники питания соответственно цепи накала катода, разряда, напряжения смещения и диагностики плазмы; 5 — подложка; 6 — заслонка с датчиком тока; 7 — термоэлектронный катод; 8 — испаряемый материал/анод; 9 — система фокусировки; 10 — система вакуумирования [8 ].

торых конструктивных особенностей, в принципе одинаковы. На рис. 2 представлен испаритель с вынесенным катодным узлом [3]. Расстояние катод-анод устанавливаем в интервале от 3 до 10 мм. Применяем как прямонакальный термоэлектронный вольфрамовый катод (а), так и W-4%Re-катод в форме таблетки косвенного нагрева (б). Электростатически фокусируемый поток электронов, ускоренный в поле катод-анод, бомбардирует поверхность анода, исходный напыляемый материал нагревается и испаряется. С ростом мощности давление насыщенных паров металлов повышается, процессы возбуждения и ионизации испаренных атомов интенсифицируются, и при некоторых значениях в межэлектродном пространстве возникает разряд. Характеристики разряда определяются в основном природой испаряемого материала, конструкцией испарителя и параметрами источника питания. Например, при получении пленок Со-Си-сплава применяли два анодных испарителя с двумя отдельными источниками питания (2500 В/0.5 А) [12]. Напряжение и ток разряда при испарении кобальта составляли 1600 В и 0.7 А, а при испарении меди — 300 В и 0.3 А. Ионизация потоков для испарителей с вынесенным катодом изменялась в интервале 0.6— 6.0% [3].

Конструкция испарителей, в которых катод и анод составляют как бы единый узел, представлена на рис. 3. Некоторые различия между испарителями заключаются в конструкции электростатической фокусировки электронов, системе электрического и магнитного полей [3, 8, 9]. Воз-

3

4

9

+

Характеристики анодных разрядов в парах металлов

ЭЛИ Musa et al. [3, 7] Ehrich et al. [6, 10] Никитин М. Полищук и др. [4] Борисенко и др. [9]

Рабочий ваку- <10-3 <5 ■ 10-3 <10-2 <10-3 10-3-10-2 <2 ■ 10-3

ум, Па

Напряжение >5000 300-1800 ~20 200-700 10-200 100-1400

разряда, В 30-60

Ток разряда, А <0.5 0.3-0.7 25-140 <5 2-10 1-10

>10

Степень иони- <0.1 0.6-6.0 ~5.0 (5 см) 2-50 (10 см) 8.5-15

зации, % 30-100 40-65

(магнит)

Те, эВ 5-15 1.0-0.6 >10 С >1

Тип катода ТЭ, W-Th/W ТЭ, W/W-Th Угольный ~5 ТЭ, W/Ta ТЭ, W-Re ТЭ

электрод

действие скрещенных электрического и магнитного полей на распространяющийся ионизованный поток пара, позволяет, по данным авторов, значительно повысить степень ионизации осаждаемого потока [9].

Некоторые характеристики анодных испарителей, включая электронно-лучевой, приведены в таблице. Для всех испарителей необходимое условие — достижение высокого вакуума, т.е. давления не выше 10-2 Па. В противном случае при подаче высокого напряжения при плохом вакууме в камере загорается тлеющий разряд, затрудняющий возбуждение разряда в парах материала анода. Рассматривая характеристики испарителей, можно видеть, что все они, начиная от электронно-лучевого до дугового, представляют определенные стадии развития разряда в парах материала анода. При электронно-лучевом нагреве у поверхности анода в результате столкновений электронов с испаряемыми атомами образуется ионизованное облако. С повышением мощности нагрева наблюдается рост пространства плазмы, и при достижении некоторых параметров, определенных для каждой системы, происходит высо-

U, кВ

0 1 2 I, А

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики анодного разряда с термоэлектронным катодом в парах титана: 1- Musa et al. [3], 2 - Борисенко и др. [9], 3 - Никитин и др. [1].

ковольтный пробой. Для исключения последнего в схеме предусматривается установка реле тока, а с целью стабилизации процесса электронно-лучевая пушка обычно устанавливается вне зоны испарения. Таким образом, при электронно-лучевом нагреве мы наблюдали первую, предпро-бойную, стадию развития разряда в парах металла анода. Фактически, конструкции анодных испарителей с термоэлектронным катодом — это конструкции электронно-лучевых пушек с некоторыми доработками. Если снять факторы, ограничивающие развитие разряда, т.е. использовать источник питания с соответствующими характеристиками, установить во внешней цепи регулируемое сопротивление, то можно наблюдать все стадии его протекания, от высоковольтного до дугового.

Вольт-амперные характеристики развития высоковольтного разряда в парах титана для испарителей с термоэлектронным катодом приведены на рис. 4. Кривая 1 представляет характеристику разряда для испарителя, приведенного на рис. 2 [3]. Расстояние анод—катод 3—7 мм. Кривые 2 и 3 характерны для испарителей, в которых катодная и анодная системы составляют как бы единый узел [8, 9]. Расстояния катод-анод также не превышают нескольких миллиметров. Стадии развития разрядов для всех испарителей одинаковы — достижение предпробойных условий (давление паров, ионизация), переходная фаза и возникновение стационарного высоковольтного слаботочного разряда. Развитие разряда, представленное кривой 1, как бы тормозится. Возможно, это обусловлено сопротивлением

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

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»