close

    Исследования параметров плазмы и электрофизических параметров

    Проведены исследования параметров плазмы и электрофизических параметров разработанного в ООО «Лаборатория 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.

    ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ, ПОЛУЧАЕМОЙ ПРИ РАБОТЕ РАДИОЧАСТОТНОГО ПЛАЗМЕННОГО ГЕНЕРАТОРА ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ РПГ 128.Берлин Е.В. Григорьев В.Ю. Щелканов И.А.

    ООО «Лаборатория вакуумных технологий»

    г. Москва, г. Зеленоград, проезд №4922, д. 4 с. 4, оф. 309,

    Тел. +7(499) 346 3745 e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

    Проведены исследования параметров плазмы и электрофизических параметров разработанного в ООО «Лаборатория 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 .

    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

    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.

    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.

    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:

    1. Берлин Е.В. и др. Экспериментальное исследование характеристик плазмы индукционного TCP разряда, создаваемой технологическим генератором газоразрядной плазмы. // Вакуумная техника и технологии. 2011. № 21. С. 189–194. 
    2. Lee S. и др. High density plasma assisted sputtering system for various coating processes. // Surf. & Coat. Tech. 2012. № 206. С. 4489–4494.
    3. Ionized Physical Vapor Deposition / под ред. J.A. Hopwood. Academic Press, 1999. 276 с.

    Навигация по сайту