Формирование газовой плазмы в рабочем объеме вакуумных установок

В технологических процессах формирования покрытий газовая плазма применяется в основном на этапах очистки и активации обрабатываемой поверхности, а также для осуществления плазмохимических реакций и получения нитридных, карбидных и оксидных соединений [9, 10, 28, 32]. Основными параметрами источника газовой плазмы, используемой для очистки и активации поверхности, являются плотность потока плазмы и кинетическая энергия ионов. Зависимость коэффициента распыления поверхности обрабатываемых материалов от энергии падающих на нее частиц для очистки ионным распылением можно считать оптимальной в диапазоне энергии плазменного потока 100—1000 эВ. Кроме того, скорость очистки зависит от вида подвергаемого обработке материала, плотности ионного тока, угла падения ионов на обрабатываемую поверхность и расстояния между плазменным источником и подложкой.

Известны многочисленные конструкции плазменных ускорителей, предназначенных для работы на газообразных рабочих телах. Для технологических целей наиболее пригодны ускорители с азимутальным дрейфом электронов, где разгон плазмы осуществляется электромагнитной силой, обусловленной взаимодействием холловского тока с внешним магнитным полем.

Ускорители с азимутальным дрейфом обладают рядом важных достоинств — высокой плотностью ионного тока, возможностью регулировать параметры плазмы в широких пределах и использовать любой газ для формирования плазменного потока и управления формируемыми ионными потоками с помощью магнитного поля. Типичный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения (УЗДП) состоит из ускорительного канала, магнитной системы, формирующей радиальное магнитное поле, анода — газораспреде- лителя и катода — компенсатора. В настоящее время выпускают различные модификации УЗДП, которые позволяют получать потоки ионов до тысяч ампер с энергией от десятков до десятков тысяч электронвольт. Источник на базе УЗДП для целей очистки обладает важным преимуществом — высокой плотностью тока при расходимости пучка 30—60°, что позволяет получать значительные обрабатываемые площади при небольших размерах источника и высокой производительности [21,29,48].

Благодаря поперечному магнитному полю в этих ускорителях резко уменьшается подвижность электронной компоненты плазмы вдоль ускорительного канала. Это обусловлено тем, что электронный ларморовский радиус Re много меньше длины канала L, а ионный R, много больше: Re« L « R,. В идеале движение ионов можно считать практически прямолинейным и пренебречь действием на них магнитного поля. В то же время электроны сильно замагничены и дрейфуют в скрещенных Е- и //-полях со скоростью вдоль эквипотенциальных поверхностей по азимуту, а ионы ускоряются в направлении вектора напряженности электрического поля Е.

В УЗДП ионы ускоряются электростатическим полем, как в электростатических ионных ускорителях, но на протяжении всего канала положительный объемный заряд ионов компенсирован электронами, дрейфующими по азимуту. Объемный заряд пучка ионов, вышедших из ускорителя, компенсируется электронами катода-компенсатора. Кроме того, катод-компенсатор восполняет потери электронов в канале ускорителя. На основе блока очистки разработан встраиваемый модуль очистки и активации поверхности.

Время очистки поверхности находится в пределах от 5 до 20 мин (за время очистки подложка нагревается до 50—70 °С) и зависит от материала подложки и степени загрязнения ее поверхности, а также от расстояния между поверхностью и срезом ускорительного канала: чем дальше от ускорителя находится подложка, тем дольше ее надо обрабатывать; в то же время чем больше расстояние между ускорителем и подложкой, тем больше площадь одновременно обрабатываемой поверхности. При угле расходимости плазменного потока 50—60° отношение диаметра эффективно обрабатываемой поверхности подложки и расстояния между срезом ускорительного канала и поверхностью подложки находится в пределах от 93 до 115 мм. Приближенно можно считать, что диаметр эффективно обрабатываемой поверхности равен расстоянию от среза ускорительного канала до поверхности подложки, а время очистки поверхности пропорционально квадрату отношения фактического расстояния от поверхности подложки до среза ускорительного канала к эталонному, равному 250—270 мм. Режимы работы для каждого ускорителя подбираются индивидуально при настройке.

Газовый ускоритель «Плагус», разработанный на основе УЗДП, обеспечивает создание квазинейтральной аргонной или аргоно-азотной плазмы с энергией ионов 200—300 эВ (рис. 2.9). Он создан в виде переносного модуля с источником питания и может встраиваться практически в любую вакуумную установку, значительно расширяя ее технологические возможности.

Принципиальная схема встраиваемого модуля очистки и активации поверхности

Рис. 2.9. Принципиальная схема встраиваемого модуля очистки и активации поверхности:

/ - ускорительный канал; 2- трубчатый электрод; 3- фторопластовая втулка; 4-центральный электрод; 5- катушка подмагничивания; 6- шпилька; 7- трубка; 8- высоковольтный ввод; 9 электротепловая развязка; 10- герметичный ввод подкачки газа; //-соединительныйшланг; /2-баллон; /2-редуктор; 14-натекатель; 15-18 электроисточники соответственно анодного напряжения, системы поджига, системы подмагничивания и нагрева эмиттера; 19-герметичные токоразъемы; 20- водоохлаждаемый корпус; 21-23 - соответственно нижняя, центральная и верхняя части магнито- провода; 24 - анод-коллектор; 25 - корпус установки «Булат»; 26 - переходный фланец; 27— эмиттер; 28 заслонка; 29 подложка

Встраиваемый модуль предназначен для вакуумной ионной очистки и активации поверхности подложки в потоке ускоренной низкотемпературной газовой плазмы перед нанесением на подложку покрытий различного функционального назначения. Модуль встраивается в установки типа «Булат» (ИЭТ-8-И2, ННВ-6.6-И1, «Булат-3», «Пуск»).

Ускоренный ионный поток аргонной газовой плазмы, формируемый модулем очистки и активации, обладает первичной энергией до 200 эВ, однако, как показали исследования, этой энергии в ряде случаев не хватает. Для деталей со значительной шероховатостью поверхности, изготовленных из высоколегированных материалов, необходимы более высокие значения энергии ионного потока. Энергию ионного потока можно увеличить путем подачи отрицательного потенциала на подложку. С ростом отрицательного потенциала подложки увеличивается энергия ионного потока, т.е. происходит доускорение ионов.

С ростом отрицательного потенциала увеличивается энергия потока ионов и повышается эффективность очистки и активации поверхности. Увеличение потенциала подложки с — 100 до —500 В существенно изменило свойства обрабатываемой поверхности. Так, у стали ЗОХГСА после ионного травления приведенный поверхностный потенциал составил 86 мВ. Изменение отрицательного потенциала подложки от —100 до —300 В не привело к повышению эффективности очистки, и предел Vn составил 86—84 мВ; только при увеличении отрицательного потенциала на подложке в диапазоне от —400 до —500 В эффективность очистки увеличилась, а потенциал Vn возрос до 354—252 мВ.

У стали 12Х18Н10Т, каку стали Р6М5 исплава ВТ6, приведенный поверхностный потенциал сильнее зависит от отрицательного потенциала подложки. Здесь отмечается наибольшая эффективность очистки при отрицательном потенциале 300—500 В. Необходимо отметить, что такая зависимость эффективности очистки от отрицательного потенциала подложки наблюдалась у материалов без предварительного нагрева поверхности.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >