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.