Сильноточный импульсный магнетронный разряд с автоускорением плазмы

• Автор: Щелканов, Иван Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 135 с. : ил.

Оглавление
Введение

1. Анализ современного состояния вопроса и задачи настоящего исследования

1.1. Описание импульсного магнетронного разряда

1.2. Основные процессы в плазме сильноточного импульсного магнетронного разряда

1.3. Актуальность применения импульсных магнетронных разрядов большой мощности

1.4. Сравнение разрядов СИМР и НІРІМ

2. Экспериментальная установка

2.1. Принципиальная схема

2.2. Вакуумная система

2.3. Разрядное устройство

2.4. Электрическая система питания разряда
2.4.1. Система коммутации большой мощности
2.5. Система зондовых измерений
2.6. Электростатический энергоанализатор
2.7. Спектральная диагностика
3. Моделирование процессов в СИМР
3.1. Расчет магнитной системы магнетрона
3.2. Расчет скорости нанесения покрытия
3.3. Динамика тепловых процессов на катоде
3.3.1. Программный пакет Сотьої МиШрИуаюя
3.3.2. Тепловая модель катода

3.3.3. Влияние мощности СИМР на температуру поверхности катода
4. Экспериментальное исследование СИМР
4.1. Результаты зондовых и спектральных исследований
4.2. Импульсная скорость нанесения покрытий
4.3. Ускорительные процессы в СИМР
4.3.1. Область замыкания разрядного тока
4.3.2. Скорость распада плазменного образования
4.3.3. Процессы потери частиц
413.4. Качественная модель процесса электродинамического ускорения
4.3.5. Зондовые эксперименты по подтверждению ускорительных процессов
4.3.6. Энергетический спектр ионов, выходящих из плазмы СИМР
5. Технологическое применение СИМР
5.1. Развитие физико-математической модели
5.2. Применение СИМР
Заключение
Список литературы

Основные обозначения, термины и сокращения
MPC - магнетронная распылительная система
ВАХ — вольт-амперная характеристика
СИМР - сильноточный импульсный магнетронный разряд
HIPIMS — high power impulse magnetron discharge
HPPMS - high power pulsed magnetron sputtering
Предионизация - заполнение плазмой разрядного промежутка перед началом сильноточной формы разряда.
Импульсная скорость нанесения - скорость нанесения покрытий без учета временных пауз между импульсами В - вектор индукции магнитного поля
Вг - проекция вектора магнитного поля на ось г в цилиндрической системе координат
В: — проекция вектора магнитного поля на ось z в цилиндрических координатах
С р — теплоемкость при постоянном давлении D - коэффициент теплопроводности d - расстояние между электродами Е - вектор электрического ПОЛЯ Еф - энергия сублимации е - заряд электрона
g - коэффициент, больший единицы и учитывающий тот факт, что не всякое столкновение приводит к ионизации
Н- вектор напряженности магнитного поля h - толщина осаждаемой пленки 1Р - ток разряда
1т - ионный ток насыщения на одиночный зонд Ленгмюра Ураз - плотность тока разряда (экспериментальное значение) j+ ~ - плотность ионного тока на поверхности катода jlsp - плотность потока испаренных атомов

конфигурацию. Этот вопрос был рассмотрен A. Eihasarian и его коллегами в работе [59]. В ней было проведено исследование влияния размеров и конфигурации магнетрона на вольт-амперную характеристику разряда. Поскольку именно ВАХ в большинстве случаев является характеристикой разряда, ее неизменность при изменении формы и размеров разрядного устройства может означать возможность переноса лабораторных исследований на промышленные установки без дополнительных всеобъемлющих исследований. В работе исследовались виды ВАХ разряда для двух различных по площади катодов 440 и 1200 см2. Питание разряда осуществлялось от блока НМР 6/16 компании Advanced Converters. Этот блок позволяет получать импульс длительностью до 200 мкс в диапазоне частот от 0 до 100 Гц. Максимальный импульсный ток может достигать 3000 А при поддерживаемом напряжении 2000 В. Оба катода размещались в промышленной установке с вакуумной камерой объемом 1 м3. Катодный узел магнетрона, работающего в режиме HIPIMS, имел протяженную форму и размещался в «порту», предназначенном для стационарного магнетрона. Катод был выполнен из титана.
В экспериментах проводилось измерение концентрации одно- и двухзарядных ионов титана. Полученные результаты сравнивались с данными, полученными ранее на цилиндрическом магнетроне с площадью катода 180 см2.
На рис. 17 приведены ВАХ импульсных магнетронных разрядов, полученных на разных по размерам катодах. Можно видеть, что характеристика не изменилась с изменением размеров катода. Однако ВАХ в значительной степени, как отмечалось ранее, зависит от величины магнитного поля над поверхностью катода. Это может говорить о возможности переноса лабораторных исследований на промышленные установки при сохранении таких параметров, как величина магнитного поля над катодом и плотность тока на катоде.