close

    Исследования параметров плазмы, получаемой при работе радиочастотного плазменного генератора для технологических применений РПГ 128

    Проведены исследования параметров плазмы и электрофизических параметров разработанного в ООО «Лаборатория Вакуумных Технологий» высокоэффективного генератора плазмы на основе индукционного разряда с плоской возбуждающей котушкой и магнитным полем (рабочее название РПГ-128). Частота питающего генератора — 13.56 МГц.

    Конструкция генератора находится в стадии патентования. Ее основные отличия — металлический корпус РПГ, который обеспечивает удобство размещения и эксплуатации РПГ, а также постоянство геометрии активных элементов устройства, что гарантирует воспроизводимость параметров РПГ 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. Получены параметры плотности плазмы Ar порядка 2.5 *1012, при этом плотность ионного тока на поверхность плоского зонда Ленгмюра составила до 60 мА/см2. Приведены примеры применения РПГ в различных технологиях.
     
    Данная статья посвящена исследованию параметров плазмы и электрофизических параметров разработанного в ООО «Лаборатория Вакуумных Технологий» высокоэффективного генератора плазмы на основе индукционного разряда с плоской возбуждающей котушкой и магнитным полем (рабочее название РПГ-128. Далее по тексту РПГ). Частота питающего генератора — 13.56 МГц.
     
    Конструкция генератора находится в стадии патентования. Ее основные отличия — металлический корпус РПГ, который обеспечивает удобство размещения и эксплуатации РПГ, а также постоянство геометрии активных элементов устройства, что гарантирует воспроизводимость параметров РПГ вовремя всего срока эксплуатации.
     
    Особенности работы индукционного генератора плазмы -отсутствие электродов, которые могут взаимодействовать с плазмой в процессе работы, широкий диапазон рабочих давлений, мощностей, работа на произвольном составе смеси рабочих газов.
     
    Основным исследуемым параметром плазмы, получаемой при помощи РПГ, мы приняли плотность ионного тока на плоский ленгмюровский зонд большой площади.
     
    Этот параметр был выбран как по причине высокой его информативности для понимания физики процессов (из него с небольшой погрешностью можно определить концентрацию плазмы), так и по тому, что технологические применения также основываются на значениях плотности ионного тока на поверхность обрабатываемого с помощью РПГ изделия.
     
    Известна связь плотности ионного тока, электронной температуры, концентрации плазмы и массы иона (1)
     
    OLE-объект
     
    где Те – электронная температура, k – постоянная Больцмана, е – заряд электрона, М – атомная масса рабочего газа.
    Измерения плотности ионного тока производились в следующей конфигурации
    Цилиндрическая рабочая камера диаметром 250 мм. и высотой 250 мм. выполнена из нержавеющей стали. Камера откачивается диффузионным и форвакуумным насосами до давления 1 мПа. На верхнем фланце камеры по оси устанавливается РПГ 128 (см. Рис.1).
    Условия проведения данной серии измерений следующие:
     
    • Рабочее давление Ar – 75 мПа
    • расстояние от плоскости РПГ до измерительного столика — 200 мм.
    • Диаметр плоского зонда — 100 мм.
     
     
    2.1.1 Схема размещения катушек на стенде.
     
    Рисунок 1. Схема расположения катушек «0 и -0».
     
    Черными линиями отмечены, силовые линии магнитного поля. Цветными линиями отмечены изолинии величины индукции магнитного поля.
     
    На нижнем фланце располагался большой плоский водоохлаждаемый электрод диаметром 200 мм. На электроде соосно с РПГ была установлен заземленный экран, ограничивающий область взаимодействия плазмы с поверхностью электрода диаметром 100 мм.(с целью снижения токовой нагрузки на блок питания измерителя, т.к. установленный ранее экран с отверстием 150 мм. показал в первых экспериментах ток более 6 А, при -30 В, что находилось на пределе возможностей имевшегося блока питания).
     
    Водоохлаждаемый стол также прикрывался пластиной из нержавеющей стали, по диаметру отверстия в экране, и специально очищался для снижения потенциальной эмиссии.
    На камере соосно с РПГ размещалась магнитная система, состоявшая из двух электромагнитных катушек внутренним диаметром 300 мм. Плоскости катушек располагались на расстоянии 150 мм. друг от друга. Для питания РПГ использовался ламповый ВЧ-генератор мощностью 1 КВатт , подключенный к РПГ через автоматическое устройство согласования фирмы Comdel. Зная об особенностях работы ВЧ генераторов и согласующих устройств, нагруженных на индукционный разряд, перед началом работ генератор прошел предварительную настройку на согласованную нагрузку.
     
    Для того, чтобы исключить систематические ошибки при измерении параметров плазмы, которые могли быть связаны с изменением параметров электрических цепей из-за больших реактивных токов, протекающих в цепях питания устройства согласования (изменение сопротивления шин из-за нагрева, меняющее добротность резонансного контура), точки на графике снимались несистематическим образом, т.е. параметры мощности и магнитного поля менялись случайным образом. Высокая «сходимость» результатов при неоднократных измерениях гарантирует их достоверность.
     
    Фотография измерительного стенда представлена на Рис.2
     
     
     
    Результаты измерений зависимости плотности ионного тока (усредненной по диаметру 100 мм.) от ВЧ -мощности и магнитного поля в условиях включения двух катушек, приведены на рис.3
    Рисунок 3. Зависимость величины плотности ионного тока на столик в зависимости от магнитного поля для разных значений ВЧ-мощности. Газ-Ar, давление 75 мПа.
     
    Заметна зависимость начала перегиба на кривой зависимости плотности ионного тока от магнитного поля для разных уровней мощности. Такая особенность поведения индукционного разряда в магнитном поле отмечается впервые. Зависимость ионного тока при меньших уровнях мощности начинает насыщаться при меньших магнитных полях Одновременно так же ведет себя зависимость ВЧ-напряжения на РПГ от мощности и магнитного поля.
     
    При этом сопротивление антенны РПГ определяемое из измеренных параметров напряжения и установленной емкости конденсаторов согласующего устройства, имеют следующую зависимость. Эта зависимость приведена на рисунке 4.
     
    Рисунок 4. Зависимость сопротивления антенны от величины магнитного поля для разных мощностей.
     
    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 и очень упрощают использование РПГ во всех диапазонах его технологических возможностей.
     
    Очевидно, что при настройке на определенные параметры давления, состава газовой смеси и магнитного поля можно будет использовать устройство согласование без переменных элементов, что значительно снизит стоимость всей системы и повысит ее надежность, а также требования к квалификации эксплуатирующего РПГ персонала.
     
    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).
     
    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 представлены в Таблице 1.
     
     
    Образец №1 — контрольный, обработаный практически в чистом водороде при минимальном давлении (100 мПа), образцы со второго по пятый обрабатывались в разных составах газовой смеси (N2и H2), при разных давлениях и с разным временем обработки. Потенциал на образцы не подавался. (плавающий). (Результаты получены в Испытательной лаборатории функциональных поверхностей НИТУ «МИСиС» )
     
    Пятый образец обрабатывался 2.5 часа в смеси 50*50% азот -водородной смеси и давлении 400 мПа. Температура образцов поддерживалась на уровне 450°С при помощи оптического пирометра. Материал образцов — импортная нержавеющая сталь SST 316L.
     
    Повышение микротвердости примерно в 5 раз на глубину более 30 мкм. Поскольку потенциал на образцы не подается, а если и подается, то порядка 50 В, распыления поверхности изделия не происходит, соответственно не происходит и изменения геометрии например, режущих кромок мелкоразмерного инструмента. Технология ионно-плазменного азотирования на основе тлеющего разряда не позволяет обрабатывать малоразмерные детали из-за высокой вероятности «привязок»разряда к острым кромкам деталей, локальных перегревов и тому подобных явлений.
     
    Это самый простой пример технологического применения РПГ 128 для улучшения поверхностных свойств различных сталей и сплавов. Следующий, более сложный вариант применения продемонстрирован ниже.
     
    Способ так называемого ионно-плазменного распыления материалов уступил место магнетронному прежде всего потому, что накальные катоды, использовавшиеся при этом способе, имеют низкую надежность и время жизни, и совсем мало работают в окислительной среде.
     
    Появление безэлектродных генераторов плазмы, не имеющих накальных катодов позволяет надеяться на возрождение этого метода, 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
    • Независимое управление теми же параметрами для подложки.
    • Легкость проведения реактивных процессов.
    • Высокая степень ионизации распыляемого материала (путь распыленных атомов в плазме с высокими параметрами (электронная температура в плазме аргона выше потенциала ионизации распыляемого материала) существенно длиннее, чем для магнетронного разряда).
     
    Вариант использования РПГ для триодного распыления показан на Рисунке 5
     
     
    Рис.5 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 электрической энергии создавать в вакуумном объеме в широком диапазоне давлений газоразрядную плазму произвольного состава с высокой плотностью и технологическими возможностями.

    Навигация по сайту