Генерация многокомпонентных потоков частиц в тлеющем разряде с полым катодом

• Автор: Болбуков, Василий Петрович
• Шифр специальности: 05.27.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 116 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Методы получения потоков атомов металла, ионных пучков и пучков быстрых нейтральных молекул

1.1. Получение атомарных потоков осаждаемого материала в вакууме

1.2. Очистка и активация поверхностей и повышение подвижности атомов в процессе осаждения покрытия

1.3. Ионные источники для сопровождения процесса осаждения покрытий

1.4. Источники быстрых нейтральных атомов и молекул

1.5. Источники совмещенных потоков атомов металла и быстрых молекул

1.6. Выводы

Глава 2. Получение смешанного потока атомов металла и быстрых молекул газа

2.1. Описание экспериментальной установки и методики измерений
2.2. Изучение разрядных характеристик источника смешанного потока, скорости осаждения и адгезии тонких пленок на диэлектрических подложках
2.3. Повышение однородности толщины осаждаемых покрытий путем прерывания потока атомов металла через центр эмиссионной сетки
2.4. Зависимость скорости осаждения пленки от энергии бомбардирующих ее атомов аргона и интервала между импульсными пучками быстрых атомов
2.5. Выводы

Глава 3. Методы повышения плотности потока атомов металла
3.1. Описание экспериментальной модели источника и методик измерений
3.2. Изучение параметров плазменного эмиттера источника и формируемых потоков атомов металла и быстрых молекул газа
3.3. Исследование влияния неоднородного магнитного поля на долю распыляющих мишень ионов
3.4. Изучение влияния сопротивления резистора обратной связи на энергию быстрых молекул газа
3.5. Выводы
Глава 4. Источник с распыляемой на дне полого катода мишенью для синтеза покрытий на диэлектрических изделиях
4.1. Влияние конфигурации магнитного поля на разряд, распределение концентрации его плазмы и скорости распыления мишени
4.2. Применение источника с распыляемой в неоднородном магнитном поле мишенью для синтеза покрытий на диэлектрических подложках
4.3. Выводы
Заключение
Список литературы
Приложение
Введение
Ускоренные ионы и плазма газового разряда низкого давления широко используются для модификации поверхности изделий машиностроения. Они позволяют значительно увеличить твердость поверхностного слоя изделия в результате его закалки, азотирования, цементации, имплантации, а также благодаря синтезу на поверхности изделия сверхтвердого покрытия из нитридов, карбидов и карбо-нитридов титана, алюминия, их сплавов, хрома, циркония, вольфрама и других металлов. Ионно-плазменная технология позволяет также осаждать углеродные покрытия, отличающиеся не только высокой твердостью, но и рекордно низким коэффициентом трения.
Свойства покрытий зависят от физических условий их синтеза. Если синтезируемое покрытие бомбардировать быстрыми тяжелыми частицами - ускоренными ионами или быстрыми нейтральными молекулами - его микротвердость и плотность заметно повышаются. Например, импульсно-периодическая бомбардировка тяжелыми частицами с энергией в десятки килоэлектронвольт позволяет синтезировать сверхтвердые трещиностойкие нанокомпозитные покрытия, отличающиеся удовлетворительной пластичностью и умеренной величиной остаточных напряжений сжатия. При ширине переходного слоя (интерфейса) между изделием и покрытием до нескольких микрометров толщина покрытия может достигать 0,1 мм.
Необходимые для синтеза покрытий атомы металла получают в результате испарения мишени, изготовленной из необходимого металла, электронным пучком, катодными пятнами вакуумно-дугового разряда или ее распыления ионами, ускоренными из плазмы тлеющего разряда. Из-за соударений с молекулами газа в рабочей вакуумной камере атомы металла рассеиваются, и с ростом давления плотность их потока на поверхность изделия уменьшается. Эффективность транспортировки атомов от мишени до обрабатываемого изделия при расстоянии между ними 0,1 м начинает заметно снижаться при давлении 0,5 Па и выше.

Эмиссионная сетка с высокой геометрической прозрачностью ~ 80% имеет отрицательный по отношению к катоду потенциал ~ 100-150 В и выше, который препятствует вылету из полого катода через области провисания потенциала в отверстиях диаметром от 2 до 8 мм электронов, эмитированных катодом. Эти электроны в совокупности с быстрыми электронами, образованными в слое положительного объемного заряда [69], который окружает разрядную плазму, ионизуют газ внутри электростатической ловушки, образованной полым катодом и сеткой. Для заданного материала катода и рода газа катодное падение разряда 1!к практически не зависит от давления при длине релаксации энергии Л эмитированных катодом электронов, не превышающей среднюю длину их пути внутри ловушки Ь = 4И/50, где V - объем ловушки, а 50 - площадь апертуры, через которую могут уходить электроны [70]. Диапазон давления, в котором Л < I, а 1]к зависит лишь от разрядного тока, называют средним диапазоном области эффекта электростатической ловушки (ЭЭЛ) в тлеющем разряде.
Диапазон, в котором обратно пропорциональная давлению р длина А превышает Ь, называют нижним диапазоном области ЭЭЛ. В нем 1}к возрастает при постоянном разрядном токе с уменьшением р от сотен до тысяч вольт, и разряд обрывается [70]. В нижнем диапазоне наблюдается также значительный рост времени зажигания и установления разряда [71].
Испытания различных моделей источников [72] показали, что верхняя граница рабочего диапазона давления газа ри определяется пробоем между плазменным эмиттером внутри источника и вторичной плазмой внутри камеры. Она практически не зависит от габаритов источника и при диаметре отверстий сетки от 2 до 8 мм составляет около 1 Па. Нижнюю границу рн можно считать равной граничному давлению р0 между нижним и средним диапазонами, удовлетворяющему равенству А(р0) = I. Оно зависит от размеров полого катода и увеличивается от ~ 0,05 Па для источника пучка с объемом катодной полости 0,1 м3 до ~ 0,5 Па, т.е. практически до верхнего рабочего давления, для источника пучка с объемом полости ~ 0,01 м3.