МРС с несбалансированным магнитным полем - Нанесение антидеструкционных покрытий на топливные и кислородные баки космических аппаратов

Нанесение покрытий с повышенной твердостью и износоустойчивостью на плоские подложки, а также на другие изделия (сверла, хирургический инструмент и т. д.) требует максимального приближения подложки к плазменной области, либо повышения плотности ионного тока на подложку.

Кардинально повысить плотность ионного тока на подложку до величины более чем 1-2 мА/см2 можно в МРС с объемным магнитным полем, как было предложено в работах [12-14].

Были созданы магнетроны с несбалансированным магнитным полем, часть силовых линий которого направлена в сторону подложки - "несбалансированные магнетронные системы".

1.2.4.1 Несбалансированные МРС с вертикальной составляющей магнитного поля, направленной к подложке (1-й тип несбалансированной конфигурации магнитного поля)

В МРС данного типа магнитное поле создается не только у поверхности мишени, но и в пространстве между мишенью и подложкой, что позволяет повысить плотность ионного тока и управлять свойствами осаждаемых покрытий с помощью ионной бомбардировки.

Конфигурация поля такого типа показана на рис.8 б, где внешний полюс системы создает больший магнитный поток, чем внутренний, и магнитный поток от внешнего полюса лишь частично замыкается через внутренний полюс.

В этой системе генерируются боковые вертикальные силовые линии, идущие к подложке, что позволяет увеличить поток заряженных частиц и плазмы в целом на нее.

Аналогичное поле можно создать и в сбалансированной МРС, если вокруг нее расположить дополнительную катушку, направление магнитного потока которой совпадает с направлением потока от внешнего полюса магнита.

В несбалансированных МРС плазма газового разряда свободно движется вдоль силовых линий магнитного поля к подложке, что приводит к повышенной концентрации заряженных частиц около нее. Этому также способствует и ионизация газа в пространстве между мишенью и подложкой.

В результате этих процессов плотность ионного тока на подложку может достигать 2-10 мА/см2 Даже без приложения внешнего напряжения смещения. Однако у рассмотренных несбалансированных МРС есть существенный недостаток, связанный с тем, что распределение концентрации заряженных частиц около поверхности подложки определяется распределением магнитного поля и может быть неоднородным.

Это обстоятельство сказывается на равномерности наносимого покрытия. Для повышения однородности объемной плазмы в работе [15] было предложено применить многополюсную магнитную систему, сильное магнитное поле в которой создается только около стенок камеры, внутри же камеры и около подложки поле слабое.

МРС с такой магнитной системой представлена на рис.9.

Генератором плазмы в системе служит магнетрон, а камера окружена дополнительными магнитами. Поле, создаваемое дополнительной магнитной системой, препятствует диффузии плазмы к стенкам и действует в качестве магнитной ловушки для частиц плазмы, но не мешает выравниванию концентрации заряженных частиц внутри промежутка.

мрс с магнитной изоляцией стенок вакуумной камеры

Рис. 9. МРС с магнитной изоляцией стенок вакуумной камеры

Эксперимент показал, что плотность ионного тока на подложку составлял более 2 мА/см2 Даже при Uсм = - 60 В. В данных системах подложки могут быть удалены от мишени на расстояние до 20 см без ослабления ионного тока, при этом неоднородность плазмы составляет порядка 10% при давлении Ar 0,5 Па.

Рассмотренные выше типы несбалансированных МРС и свойства покрытий, наносимых с их помощью, позволяют реализовать процессы осаждения пленок на большие поверхности и изделия сложной формы. В частности, были реализованы высококачественные покрытия из нитрида титана, оксидов алюминия, циркония, иттрия и т. д.

1.2.4.2 Несбалансированные МРС с рассеиванием магнитного поля в сторону от подложки (2-й тип несбалансированной конфигурации магнитного поля)

Для получения сильнопористых структур с развитой поверхностью для химически активных пленок, катализа, неотражающих покрытий и т. д. используется другой вариант несбалансированной магнитной системы, у которой внутренний полюс генерирует больший магнитный поток, чем внешний (рис. 8 в).

При таком способе создания магнитного поля некоторые силовые линии не замыкаются через катод на внешний полюс, а идут в сторону от подложки, к стенкам. Это затрудняет диффузию плазмы к подложке и сильно снижает концентрацию ионов около нее.

Плотность тока на подложку в этом случае значительно меньше, чем 1 мА/см2. Ионное воздействие на растущую пленку в данной МРС минимально. Кроме того, затрудняется зажигание и поддержание разряда при низких давлениях из-за ухода электронов к стенкам камеры.

Для управления потоком заряженных частиц к подложке применяют так называемое "магнитное смещение". Позади подложки помещают дополнительную катушку или постоянный магнит, силовые линии которого совпадают с полем магнетрона и поток плазмы как бы фокусируется у подложки. При этом возрастает плавающий потенциал и ионный ток на подложку. При противоположном направлении поля происходит расфокусировка плазмы, снижается плавающий потенциал и ионный поток.

Таким образом, магнитное смещение позволяет управлять процессом напыления, не меняя режима работы магнетрона.

В работе [16] магнитное смещение использовалось в МРС с двумя несбалансированными магнетронами, которые имели противоположную полярность магнитных систем. Они располагались над подложкой, под которой находилась дополнительная катушка. Меняя направление тока катушки, можно было регулировать интенсивность ионной бомбардировки для каждого магнетрона и получать многослойную структуру покрытия.

Плотность ионного тока на подложку достигала 6 мА/см2, а отношение потока ионов к потоку осаждающихся атомов ~ 20.

Похожие статьи




МРС с несбалансированным магнитным полем - Нанесение антидеструкционных покрытий на топливные и кислородные баки космических аппаратов

Предыдущая | Следующая