2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Обзор исследований высокочастотных индукционных
разрядов в процессах модификации поверхности................12
1.1. Анализ высокочастотных индукционных разрядов
и области их применения......................................... 12
- 1.2. Методы нанесения тонкопленочных покрытий......................21
_ 1.3. Характеристики тонкопленочных оптических покрытий.............31
1.4. Постановка задачи........................................./..39
Глава 2. Аппаратура и методика экспериментальных исследовании струйных ВЧИ-плазмотронов в динамическом вакууме для нанесения покрытий..........................................................41
2.1. Функциональная схема экспериментальной ВЧИ-плазменной установки.......................................................41
2.2. Измерительная аппаратура. Методика проведения экспериментов и оценка точности измерения..........................46
4 2.3. Методика исследования свойств тонкопленочных покрытий.........63
2.4. Методика оценки погрешности измерений.........................70
Глава 3. Характеристики струйных ВЧИ-плазмотронов в условиях
динамического вакуума при нанесении покрытий...............73
3.1. Электрические и газодинамические параметры струйного ВЧИ-плазмо трона пониженного давления..................................73
3.2. Энергетические параметры струйного ВЧИ плазмотрона
в условиях динамического вакуума.Энергия ионов и плотность ионного
тока на поверхность подложки.....................................-.82
^ 3.3.Состав струи ВЧИ-плазмы пониженного давления в процессах испарения. транспортировки и конденсации при нанесении покрытий............88
3.6. Математическое моделирование струйной ВЧИ плазмы
пониженного давления в процессах нанесения покрытий..............114
Глава 4. Нанесение тонкопленочных оптических покрытий с помощью струйного ВЧИ-плазмотрона в условиях
динамического вакуума....................................133
4.1. Эксплуатационные характеристики тонкопленочных покрытий, полученных с помощью струйного 13ЧИ-плазмотрона
в условиях динамического вакуума.................................133
4.2.0птические характеристики тонкопленочных покрытий, полученных с помощью струйного ВЧИ-плазмотрона в условиях
динамического вакуума............................................137
4.3.Применение тонкопленочных оптических покрытий в интерференционных системах, полученных с помощью
струйного ВЧИ-плазмотрона в динамическом вакууме.................144
Заключение...................................................... 155
Библиографический список использованной литературы...............157
4
Принятые обозначения ВЧ - высокочастотный ВЧИ высокочастотный индукционный РК - разрядная камера Рр - мощность разряда, кВт Рус,. - мощность установки, кВт Gr - расход плазмообразующего газа с - скорость света
Dj.e- коэффициенты диффузии ионов и электронов DTj-e - коэффициенты термодиффузии электронов и ионов е - заряд электрона
Н7, Hv - аксиальная и азимутальная составляющие напряженности вектора магнитного поля, А/м
v - вектор скорости потока плазмы, м/с
viit— векюры макроскопической скорости ионов и электронов, МУС
v - абсолютное значение скорости потока плазмы, м/с
W, - энергия ионов, поступающих на поверхность, эВ
ji - плотность ионного потока на поверхность, А/м:
пе, П| - концентрация электронов и ионов
тс, т( - масса электрона и ионов
ш - молекулярная масса газа
Тс - электронная температура
Т„, Т,-температуры атомов и ионов
о - проводимость плазмы
8 - относительная диэлектрическая проницаемость L|, L2-длины разрядной и вакуумной камер
x(r,z) - координаты точки в пространстве
*
z - аксиальная цилиндрическая координата (расстояние от среза соила плазмотрона)
X*- коэффициент электронной теплопроводности р*.е - подвижность ионов и электронов V - частота ионизации
уе - эффективная частота упругих столкновений электронов со всеми частицами
Г- частота, задаваемая генератором
р - давление газа
р< - давление в вакуумной камере
и - постоянный потенциал плазменного столба
к - длина волны
п(Х) = п(Х) - Ьк(Х) - комплексный показатель преломления
п(л), к(Л) - действительная (показатель преломления) и мнимая
(показатель поглощения) части комплексною показателя преломления
Одл - адгезионная прочность. Н/м2
рп - плотность пленки, кг/м3
Сс - остаточные напряжения, Н/м2
ТПП - тонкопленочные покрытия
ТОП - тонкослойные оптические покрытия
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время плазменные технологии находят широкое применение в машиностроении, медико-инструментальной промышленности, микроэлектронике и оптике, в том числе при нанесении покрытий на поверхности металлов, полупроводников и диэлектриков с целью придания им требуемых физических свойств.
Наиболее перспективными для процессов напыления являются разрабатываемые в последние годы электрофизические методы получения покрытий. Однако, анализ показывает, что электроискровое микролегирование, ионно-плазменное напыление, ионная имплантация, наплавка, плазменное напыление при атмосферном давлении и вакуумные методы осаждения имеют также ограниченные возможности с точки зрения придания поверхности изделий заданных свойств. Так струйные плазменные методы напыления при атмосферном давлении, обладая рядом существенных достоинств, не позволяют получать высокоплотные покрытия, достаточно равномерные по толщине. Напыление в вакууме лишено этих недостатков, однако, малая, скорость напыления и ограниченный набор пленкообразующих материалов, не всегда удовлетворяет разработчиков интерференционных конструкций.
Возможность совмещения достоинств этих методов может быть реализована с помощью струйного ВЧ плазмотрона в условиях динамического вакуума. Метод получения тонкопленочных покрытий (ТПП) с помощью струйного высокочастотного индукционного (ВЧИ) разряда в условиях динамического вакуума позволяет совмещать процесс испарения Iпенкообразующе го материала с ионизацией и возбуждением атомов, а также формировать направленный поток частиц и транспортировать их на поверхность, подложки. Наличие протяженного транспортного участка дает возможность управлять физико-химическими процессами и составом осаждаемого вещества. 11озтому плазменные технологии, позволяющие управлять оптическими
наносимых покрытий, являются перспективными в процессах изготовления тонкослойных оптических покрытий (ТОП).
Однако в настоящее время отсутствуют систематические исследования взаимодействия потока плазмы ВЧИ-разряда в динамическом вакууме с испаряемыми пленкообразующими материалами, влияния характеристик ВЧИ-плазмы на процессы нанесения ГОП, закономерностей изменения оптических свойств покрытий.
Работа направлена на решение актуальной проблемы медико-инструментальной промышленности и оптического приборостроения - развитие методов производства ТОП, в том числе с заданными физическими характеристиками.
Данная работа выполнялась Казанским государственным технологическим университетом по программе Министерства образования РФ № 417 «Взаимодействие атомных частиц с поверхностью - новые методы и технологии» по теме «Взаимодействие низкотемпературной плазмы ВЧ разряда с поверхностью твердых тел» 1992-2000г.
Цель и задачи исследовании. Целью работы является получение тонкопленочных покрытий с улучшенными физико-механическими и заданными оптическими свойствами с помощью струи плазмы ВЧИ разряда пониженного давления путем теоретических и экспериментальных исследований струйного ВЧИ разряда пониженного давления в процессах нанесения покрытий для медико-инсгрумснталыюй промышленности и оптического приборостроения. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Комплексное экспериментальное исследование параметров струйною ВЧИ-разряда в условиях динамического вакуума в процессах напыления и определение основных параметров разряда ответственных за получение покрытий;
2. Экспериментальное исследование состава струн ВЧИ разряда в процессе нанесения покрытий;
2. Впервые установлена существенная роль слоя положительного заряда при формировании покрытий. Выявлено, что свойства покрытий наряду с внешними параметрами, такими как скорость струн, мощность вкладываемая в разряд, температура подложки и др., определяются энергией ионов бомбардирующих поверхность и плотностью ионного тока на поверхность;
3. Впервые установлено, что способ получения оптических покрытий с помощью струйного ВЧИ плазмотрона пониженного давления обладает достоинствами напыления плазмотронами атмосферного давления и напыления в вакууме;
4. Разработана математическая модель нанесения покрытий струей ВЧИ-плазмы в условиях динамического вакуума и создана инженерная методика расчета характеристик струйных ВЧИ-плазмотронов пониженного давления при подаче напыляемого материала в виде стержня;
5. Раскрыт механизм процессов при напылении оксидов в разрядной камере струйного ВЧИ-плазмотрона в условиях динамического вакуума. Установлено изменение состава паровой фазы в струе ВЧИ-плазмотрона;
6. Впервые разработан и реализован с помощью струйного ВЧИ-плазмотрона пониженного давления способ конструирования интерференционных систем, основанный на варьировании комплексного показателя преломления синтезируемых оксидных пленок.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. На основе исследований экспериментальных параметров струи неравновесной низкотемпературной плазмы с энергией ионов бомбардирующих поверхность от 10 до 30 эВ и плотностью ионного тока на поверхность от 15 до 25 А/м2 разработаны технологии нанесения тонкопленочных покрытий с заданными характеристиками с помощью струйного ВЧИ плазмотрона пониженного давления;
2. Предложен принципиально новый метод нанесения покрытия с помощью струйного ВЧИ плазмотрона заключающийся в совмещении процес-
10
сов обработки и нанесения покрытии на поверхности в условиях динамического вакуума;
3. Внедрены в промышленность созданные технологические процессы и специальное оборудование для подготовки поверхности и нанесения покрытий струйным ВЧИ плазмотроном в динамическом вакууме.
На защиту выносятся следующие научные положения и выводы:
1. Результаты комплексных исследований характеристик струйного ВЧИ разряда пониженного давления, устанавливающие, что плазменная струя при нанесении покрытий представляет собой комбинированный разряд, имеющий индукционную и емкостную составляющие. Подложка, помещенная в струю ВЧИ-разряда пониженного давления в процессе нанесения покрытий становится дополнительным электродом и в его окрестности образуется слой положительного заряда (СПЗ);
2. Выявленный оптимальный диапазон значений энергии ионов XV, = 10-30 эВ и плотности ионного тока у, = 15-25 Л/м2 струйного ВЧИ-плазмотрона в динамическом вакууме для формирования покрытий с высокими эксплуатационными характеристиками;
3. Результаты исследования состава паровой фазы при нанесении оксидных пленок;
4. Способ нанесения тонкослойных покрытий с помощью струйного ВЧИ плазмотрона в динамическом вакууме, позволяющий получать оптические покрытия с заданными характеристиками;
5. Способ синтеза широкополосных интерференционных систем путем варьирования комплексного показателя преломления, основанный на использовании струйной ВЧИ-плазменной технологии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка.
В первой главе дан обзор основ струйной ВЧ-плазменной модификации, основных направлений методов напыления ТПП, кратко представлены данные о пленкообразующих материалах для получения ГОП, показано про-
имущество струйной низкотемпературной ВЧИ-плазмы пониженного давления в процессах получения ТОН, изложены задачи диссертации.
Во второй главе приведено описание плазменной ВЧИ-установки, струйных ВЧИ-плазмотронов, применяемых диагностических методов, аппаратуры и оборудования. Представлены методы измерения оптических, механических и эксплутационных характеристик ТОП. Приведена оценка точности измерений.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований характеристик потока ВЧИ-разряда в процессах нанесения покрытии. Показаны электрические, газодинамические, энергетические параметры струйного ВЧИ-плазмотрона в динамическом вакууме при нанесении покрытий. Подобран оптимальный режим работы ВЧИ-установки доя изготовления покрытий. Рассмотрены процессы испарения, транспортировки и конденсации тонкопленочных покрытий в струйных ВЧИ-плазмотронах в условиях динамическог о вакуума.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований оптических, механических и эксплутационных характеристик Ю11 в зависимости от параметров струйного ВЧИ-плазмотрона. Разработан способ конструирования интерференционных систем, основанный на варьировании комплексной части высокочастотной диэлектрической проницаемости. Рассмотрены вопросы применения, полученных тонкопленочных покрытий с заданными физическими свойствами в интерференционных системах.
В заключении обобщаются основные результаты работы и рассматриваются перспективы использования струйного ВЧИ-разряда в динамическом вакууме при изготовлении 'ГОП для реализации широкополосных интерференционных конструкций.
ГЛАВА 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ РАЗРЯДОВ В ПРОЦЕССАХ МОДИФИКАЦИИ
ПОВЕРХНОСТИ
1.1. Анализ высокочастотных индукционных разрядов и области их применения
В последнее время практическое применение [1] получили генераторы низкотемпературной плазмы, в которых частота переменного тока меняется в широком диапазоне. Из всех видов плазмотронов переменного тока в процессах модификации поверхностей твердых тел наиболее широко распространены высокочастотные (ВЧ) плазмотроны. В зависимости от способа ввода электроэнергии они делятся на индукционные, емкостные, комбинированные, факельные, дуговые и коронные плазмотроны.
Основными элементами плазмотрона являются индуктор для ВЧ индукционного (ВЧИ) разряда или электроды для ВЧ емкостного (ВЧЕ) разряда и разрядная камера (РК). Поток газа в области разряда нагревается до состояния плазмы и истекает из плазмотрона в виде плазменной струи.
Высокочастотный разряд [2], возбужденный в электромагнитном поле высокой частоты, существенно отличается от разрядов постоянного тока. Свободные электроны в высокочастотном электромагнитном поле могут приобрести энергию, достаточную для возбуждения и ионизации молекул нейтрального газа. При сильном поле процесс ионизации приобретает характер лавины, и газ переходит в состояние плазмы. Пробой в ВЧ-плазмотроне происходит под действием электрического поля индуктора или электродов, напряженность которого может быть на порядок выше напряженности индукционной ЭДС.
Существуют различные способы введения поля в разрядный объем. Возбуждающее поле может прикладываться к разрядному промежутку непосредственно с помощью электродов, соединенных с ВЧ генератором. Разряд
13
может возникать и от электромагнитной волны, поступающей от удаленною излучателя. При этом определяющими являются внутренние процессы в плазме, а не процессы на электродах.
Разряд, создаваемый под действием электромагнитного ноля, может быть Н-разрядом или Е-разрядом. Е-разрядами называют тс, в которых токи проводимости не замкнуты, а продолжаются в виде токов смещения. Разряды, в которых элементарные токи проводимости образуют замкнутые кривые, принято называть Н-разрядами. Механизмы разрядов типа Е и И в принципе одинаковы. Разбивка их на два класса справедлива, если длина волны ВЧ поля /. велика по сравнению с длиной разрядной камеры В этом случае цепь является либо чисто индукционной, либо емкостной. В соответствие с характером реактивного сопротивления газоразрядного промежутка возникает либо Н-разряд, либо Е-разряд. Пока проводимость газа мала, разряд прозрачен для ноля и переменное поле, например индуктора, не в состоянии эффективно передавать разряду свою энергию. Однако, как только проводимость под влиянием увеличения напряжения на индукторе инЧд достигает некоторой критической величины, возникают кольцевые токи, начинается эффективная диссипация электромагнитной энергии и наступает Н-форма безэлсктродного разряда. 11ри этом напряжение на индукторе падает и Е-разряд становится несущественным. Если ВЧ поля соизмеримо с Ц, как, например, в случае резонансной Лехеровской системы, оба вида разрядов существуют одновременно: Е-разряд происходит в пучностях напряжения, а Н-разряд в пучностях тока.
Одним из важнейших параметров газовых разрядов является давление в РК. При низких давлениях (р от 1,33 Па до 133 Па) разряд является диффузным. В случае предварительной ионизации плазмообразующего газа диффузный разряд горит и при более низких давлениях вплоть до 0,133 Па. При давлениях, близких к атмосферному, разряд становится контрагированным и по существу представляет собой нестационарный дуговой разряд. При средних давлениях (р от 665 до 339-10“ Па) разряд будет иметь переходную форму.
14
Основы для современных экспериментальных исследований ВЧ-разряда были заложены Г.И. Бабатом [3, 4]. Начиная с 1961-1963 г. в нашей и зарубежной печати появляется много работ, посвященных экспериментальному исследованию индукционных разрядов агмосферного давления как в замкнутых сосудах, так и в потоке газа [5-10].
Большой вклад в исследования высокочастотной индукционной плазмы атмосферного давления в потоке газа и ее широкое практическое применение внесли Рыкалкин 1I.H., Кудинов В.В., Дресвин С.В. и др. [1,2, 11-18].
Разряд при средних давлениях занимает промежуточное положение по своим свойствам между разрядами при пониженном и атмосферном давлениях. Потерн электронов из разряда при средних давлениях обусловлены не только их диффузией и рекомбинацией на стенках камеры, но и объемной рекомбинацией. При средних давлениях необходимо учитывать такой механизм теплоотвода, как теплопроводность [8]. Наиболее полные экспериментальные исследования ВЧИ разряда в этом диапазоне давлений проведены авторами работ [10,14, 19,20].
При пониженных давлениях наиболее распространенными являются ВЧИ-плазмотроны с кварцевыми водоохлаждаемыми разрядными камерами. К ним предъявляется ряд специфических требований. Во-первых, они должны обеспечить заданный вакуум, следовательно, изготавливаются из вакуумных материалов. Во-вторых, система теплозащиты стенок разрядной камеры должна исключать возможность прорыва охлаждающей среды в вакуумную камеру. В-третьих, разрядные камеры должны обеспечить высокий КПД плазмотрона, так как КПД ВЧ установок при пониженном давлении заведомо меньше, чем при атмосферном давлении. В-четвертых, конфигурация плазмотрона должна учитывать конструктивные особенности вакуумных постов. Характеристики ВЧ-плазмотронов при пониженном давлении зависят как от параметров ВЧ-генератора и РК, так и от характеристик вакуумного поста.
К основным параметрам ВЧИ-разряда пониженного давления без расхода газа относятся критическое напряжение зажигания UkT, напряжение под-
держания разряда 11р, мощность, потери за счет теплопроводности и излучения, электронная температура, температуры ионного и нейтральною газов, проводимость плазмы, концентрация электронов, ионов и нейтральных частиц, напряженности электрического и магнитного полей, термический КПД плазмотрона, кольцевой ток в плазме. Для определения вышеперечисленных параметров дополнительно требуется знание функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) и спектров излучения. В ряде электроплазменных процессов основной технологической зоной является плазменная струя. Поэтому требуется знание и ее параметров.
В работе Бабата Г.И. [4] рассмотрены два типа индукционных диффузных разрядов. Показано, что при падении давления возникает слабый Е-разряд. Затем, при дальнейшем понижении давления этот Е-разряд превращается в мощный Н-разряд.
Сведения о напряжении зажигания и,р и напряжении поддержания разряда ир имеются в [21,22]. В ранней работе [21] показано, что механизм пробоя и величина и»р в ВЧИ-разряде низкого давления зависят от способа, от состава газа, давления, частоты электромагнитного поля и линейных размеров газовою промежутка.
В работе [22] указывается, что ир пропорционально потенциалу ионизации газа (плазмообразующий газ: гелий, неон, аргон, криптон, азот). Для кислорода и оксида углерода имеется некоторое отклонение от пропорциональности.
Обширные исследования мощности Р,, индукционного диффузного разряда (ИДР) проведены Кабан ном (23,24]. При этом рассматривался как чисто индукционный разряд, так и разряд с электростатической составляющей. Исследованию мощности разряда посвящены также работы [2, 10 25-30]. Данные по микроволновому излучению приведены в [31]. В диапазоне давлений 0,133-1,33 Па обнаружены рентгеновское и микроволновое излучение на электронной плазменной частоте. Анализ вышеперечисленных работ позволил сделать следующие выводы. При увеличении подводимой мощности и
16
и,,,« мощность разряда Рр монотонно возрастает (Г = 1-60 МГц, УН' - 0.4 Вт -200 кВт, аргон, неон, ксенон, криптон, водород, воздух, диаметр!,I разрядных камер варьировались от нескольких сантиметров до 10 см, Рр= 50 Вт - 5 кВт). Зависимость Рр от давления р нелинейная. Однако в интервале от 66,5 Па до 1330 Па мощность в разряде остается постоянной. В диапазоне давления 1,33-2660 Па Ри„, составляет всего несколько процентов от Рр и ее можно не учитывать в балансе мощности. Зависимость Рг от частоты поля нелинейная и имеет несколько локальных экстремумов.
Для определения температуры электронов Тс в ИДР часто, используют зондовые и спектральные методы [25, 27, 28, 32-33]. Зависимость Те от давления и цилиндрической координаты г в работе [34] исследована с помощью эмиссионной спектроскопии. Кононенко В.И. [35] определял электронную температуру по измеренной относительной интенсивности линий гелия (4922/4713), напускавшегося в камеру как небольшая добавка к основному рабочему газу. В [36] электронная температура оценивалась также по мощности, диссипируемой на стенках. Анализ работ, в которых производилась оценка Те, показывает, что в диапазоне изменения давления от 0,0133 до'7980 Па плазма является существенно термически неравновесной.
Электронная температура на порядок и выше превосходит ионную температуру. При увеличении давления наблюдается уменьшение электронной температуры. В центре разряда Тс принимает свое максимальное значение н спадает к стенкам разрядной камеры. При этом градиент электронной температуры вдоль г незначителен. Однако мало работ, в которых дан полный перечень входных параметров работы плазмотрона, что затрудняет сделать более полные обобщения по Тс в индукционном диффузном разряде.
Величины концентрации электронов п* и ионов п, неразрывно связаны с Тс и обычно определяются теми же способами, что и электронная температура. Авторы работ [24. 27, 32-36] одновременно с определением Тс рассчитывали и п*. В [35] л« определяли с помощью СВЧ зондирования. В работе [26] по найденным экспериментальным значениям 13р и определяли проводи-
- Київ+380960830922