ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ, ПОЛУЧАЕМОЙ ПРИ РАБОТЕ РАДИОЧАСТОТНОГО ПЛАЗМЕННОГО ГЕНЕРАТОРА ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ РПГ 128.Берлин И. А.

вакуумных технологий»

г. Москва, г. Зеленоград, проезд № 000, д. 4 с. 4, оф. 309, Тел. +7(499) 346 3745 e-mail: *****@***ru

Проведены исследования параметров плазмы и электрофизических параметров разработанного в Вакуумных Технологий» высокоэффективного генератора плазмы на основе индукционного разряда с плоской возбуждающей катушкой и магнитным полем (Радиочастотный плазменный генератор РПГ-128). Частота питающего генератора — 13.56 МГц.

Его основные отличия — металлический корпус, который обеспечивает удобство размещения и эксплуатации, а также постоянство геометрии активных элементов устройства, что гарантирует воспроизводимость параметров генератора плазмы вовремя всего срока эксплуатации.

Особенности работы индукционного генератора плазмы: отсутствие электродов, которые могут взаимодействовать с плазмой и активными газами в процессе работы; широкий диапазон рабочих давлений, мощностей; работа на произвольном составе смеси рабочих газов. При оптимальном режиме работы достигнута плотность плазмы Ar до 2.5·1012 см-3[1], при этом режиме работы плотность ионного тока на поверхность плоского электрада составила до 60 мА/см2.

Результаты измерений зависимости плотности ионного тока на столике/электроде (усредненные по диаметру 100 мм) от ВЧ - мощности и магнитного поля, приведены на рисунке 1.

Можно отметить характерное насыщение на кривой зависимости плотности ионного тока от магнитного поля для разных значений ВЧ-мощности. При меньших величинах мощности кривая начинает насыщаться при меньших магнитных полях. Такая особенность поведения индукционного разряда в магнитном поле отмечается впервые. Переход в «насыщение» величины ВЧ-напряжения на РПГ от мощности и магнитного поля происходит подобным образом. 1000

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Рисунок 1. Зависимость величины плотности ионного тока на столик и напряжения на антенне от величины индукции магнитного поля для разных значений ВЧ-мощности. Газ - Ar при давлении 75 мПа.

При этом сопротивление антенны РПГ определяемое из измеренных параметров напряжения и установленной емкости конденсаторов согласующего устройства, имеют приведенную на рисунке 2 зависимость.

Подобная зависимость электрофизических параметров РПГ также ранее не отмечалась. Физическая природа описываемого поведения плазмы как объекта взаимодействия с ВЧ-индуктором, требует отдельного исследования.

Такая устойчивость сопротивления антенны (и соответственно, плазмы) дает возможность пользоваться простыми устройствами согласования ВЧ-генератора с нагрузкой.

Получаемые параметры плазмы с учетом того, что ранее измеренные величины электронной температуры [1] слабо зависят от давлений и мощности, а больше от состава газовой смеси, дают возможность широко применять ее в процессах ионно-плазменной обработки поверхности, ассистирования при напылении покрытий любыми способами, в процессах плазмостимулированного осаждения покрытий из газовой фазы, а также в процессах триодного распыления с вполне сравнимой с магнетронной производительностью (с учетом получаемых плотностей ионного тока на поверхность мишени).

Рисунок 2. Зависимость сопротивления антенны от величины магнитного поля для разных мощностей.

Возможности применения РПГ 128 были продемонстрированы в следующих процессах: Снятие DLC — покрытий на металлических деталях сложной формы. Ионно-плазменное азотирование нержавеющих сталей. Триодное напыление нитрида алюминия в аргон-азотной смеси газов. Плазмостимулированное осаждение диэлектрических покрытий из газовой фазы. Ионное травление. Очистка деталей в водородной плазме (заменяет водородный отжиг).

Результаты применения РПГ 128 для ионно-плазменного азотирования нержавеющей стали SST 316L представлены в таблице 1. Первый образец – был обработан при недостаточном давлении водорода и образующийся окисел блокировал процесс азотирования и может считаться не азотированным. Образцы со второго по четвертый оставались под плавающим потенциалом во время обработки. Пятый образец обрабатывался 2,5 часа при смещении -40 В. Температура образцов поддерживалась на уровне 450°С при помощи оптического пирометра.

Таблица 1.

Режимы и результаты азотирования стали SST 316L.

№

Время обработки [мин]

Мощность генератора [Вт]

Давление в камере [мПа]

N2 [sccm]

H2 [sccm]

Смещение [В]

Микро твердость [MPa]

1

150

1000

80

0,8

0,27

0

3 100

2

70

800

85

0.8

0.5

0

10 311

3

140

860

80

1

0,4

0

13 101

4

140

780

80

1

0,4

0

10 986

5

150

820

400

1

2,4

40

14 040

Результаты измерения микротвердости получены в Испытательной лаборатории функциональных поверхностей НИТУ «МИСиС».

Согласно измерениям произошло повышение микротвердости примерно в 5 раз на глубину более 30 мкм. Поскольку потенциал на образцы подавался не более -50 В, распыления поверхности изделия не происходит, соответственно не происходит и изменения геометрии например, режущих кромок мелкоразмерного инструмента. Отсутствие смещения на обрабатываемых изделиях исключает возможность образования «привязок», приводящих к порче острых кромок мелкоразмерных изделий.

Появление безэлектродных генераторов плазмы, не имеющих накальных катодов, позволяет надеяться на развитие метода осаждения материалов в ионизированном состоянии [2], имеющего ряд неоспоримых преимуществ, как то: Поверхность мишени распыляется полностью, в отличие от магнетронного разряда. Геометрия узла распыления относительно подложки существенно более свободная. Независимое управление ионным током и энергией ионов Легкость проведения реактивных процессов. Высокая степень ионизации распыляемого материала [3]. Вариант использования РПГ для триодного распыления показан на рисунке 3.


Рисунок 3. Фотография демонстрирующая процесс напыления AlN из алюминиевой мишени на стеклянную подложку в режиме триодного распыления. Мишень диаметром 40 мм на фотографии слева. РПГ 128 сверху. Расстояние до подложки 80 мм. Ток мишени 0.29 А, напряжение 212 В. Мощность ВЧ-генератора 1 Квт. Рабочее давление смеси Ar-N2 400 мПа.

В заключение можно сделать следующие выводы: Радиочастотный плазменный генератор — это простое устройство, позволяющее при незначительных затратах создавать в вакуумном объеме в широком диапазоне давлений газоразрядную плазму произвольного состава с высокой плотностью и разнообразными технологическими возможностями.

Список литературы:

и др. Экспериментальное исследование характеристик плазмы индукционного TCP разряда, создаваемой технологическим генератором газоразрядной плазмы. // Вакуумная техника и технологии. 2011. № 21. С. 189–194. Lee S. и др. High density plasma assisted sputtering system for various coating processes. // Surf. & Coat. Tech. 2012. № 000. С. 4489–4494. Ionized Physical Vapor Deposition / под ред. J. A. Hopwood. Academic Press, 1999. 276 с.