3. Магнетронное нанесение покрытий TiCrN в условиях малоразмерного катода

3.1.Экспериментальная установка.

Для магнетронного формирования пленок TiCrN была использована вакуумная установка УРМ 327, дополненная системами управления расходом газов. Блок – схема установки изображена на рис.3.1. Вакуумная установка содержала вакуумную камеру (1) с установленным в ней магнетронным распылителем (2), систему откачки, состоящую из паромасляного(18) и механического(19) насосов, систему измерения давления, содержащую вакуумную лампу ПМИ-2(16) и вакуумметр ВИТ-3(17). Для напуска рабочих газов (Ar и N₂) использованы электрически управляемые натекатели(14) и (15). Расход аргона регулировался с помощью контроллера обратной связи (13), который вырабатывал сигнал на натекатель аргона, позволяющий поддерживать на заданном постоянном уровне давление газовой смеси аргон-азот в вакуумной камере.

Рис. 3.1. Блок-схема экспериментальной установки: 1-вакуумная камера; 2-магнетрон с TiCr катодом; 3-анод; 4-магнитная система; 5- прикатодная область разряда; 6-оптическое окно; 7-световод; 8- спектрометр S100; 9-компютер; 10-пленка оксида TiCrN; 11-подложка; 12- источник питания; 13- контроллер обратной связи между компьютером и натекателем; 14 и 15-управляемые натекатели кислорода и аргона; 16-вакуумная лампа; 17-вакууметр ВИТ-3; 18 и 19- система откачки вакуумной камеры (парамаслянный и механический насосы).

3.2. Методика нанесения покрытий Ti-Cr-n c помощью контролируемого магнетронного распыления

В качестве материала основы для изготовления композиционных мишеней был использован мелкодисперсный порошок титана, содержащий, согласно техническим условиям, не более 0,3 % примесей, и особо чистый порошок хрома. Диски диаметром 49,6 мм и толщиной до 6 мм были спрессованы методом взрывной компрессии в Институте порошковой металлургии НАН Беларуси. На основании данных информационных источников и предварительных исследований Исполнителя были выбраны исходные составы мишеней. Композиция на основе титана составлена с 20 и 8 весовыми процентами хрома. Далее мишени обрабатывались на механическом участке НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ. Диски доводились до плоскости и приемлемой для устойчивой работы магнетрона толщины механической шлифовкой абразивным кругом с зернистостью 100 мкм и содержанием основной фракции не менее 50 %. Затем мишени закрепляли в строго фиксированном положении в мишенном узле магнетрона и производили отпыл поверхностного наклепанного слоя в аргоновой плазме и, одновременно, определяли позицию и геометрическую форму распыляемого катодного пятна.

При установке распыляемой мишени в магнетроне возможны два варианта – прямое и косвенное (через промежуточную тонкую пластину) охлаждение мишени водой. В случае прямого охлаждения композиционной мишени обнаружены следующие особенности процесса нанесения покрытий.

Во-первых, зажигание магнетронного разряда происходило при более высоком давлении аргона, равном 2 - 3 Па. При работе с другими мишенями, например, мишень из чистого титана, зажигание разряда происходило при давлении 0,5 – 0,8 Па.

Во-вторых, по сравнению с магнетронным разрядом, когда катодом являлся чистый титан, в эмиссионной спектре обнаружено появление новой молекулярной полосы с максимумом интенсивности на длине волны 309,1 нм, значительно выросла линия водорода 656,28 нм и появилась линия кислорода 777,3 нм. По справочным данным [12] наиболее вероятно, что это полоса ОН. Возможно также, что на эту полосу наложена полоса О₂ с максимумом интенсивности на длине волны 310,4 нм. На рис 3.2 показан участок спектра, где расположена эта молекулярная полоса.

Рис.3.2. Участок спектра плазмы магнетронного разряда в процессе нанесения TiCr, на котором расположена молекулярная полоса с максимумом интенсивности на длине волны 309,1 нм.

Обнаруженные явления свидетельствуют о том, что композиционные мишени, изготовленные методом порошковой металлургии, не является вакуумно плотными для паров воды.

Для управления расходом азота была использована разработанная на кафедре физической электроники и нанотехнологий система, состоящая из спектрометра S100 (8), персонального компьютера (9), контроллера обратной связи (13). Система функционировала следующим образом. Излучение прикатодной области магнетронного разряда через оптическое окно (6) и оптоволокно поступало на вход спектрометра S100. Регистрация спектра излучения в интервале длин волн 200 – 1100 нм производилась с помощью ПЗС-линейки этого спектрометра. Программное обеспечение системы, установленное в компьютере, позволяло выделять из спектра любые контрольные участки длин волн, где расположены спектральные линии одного из основных химических элементов, присутствующих в плазме магнетронного разряда. При формировании пленок TiCrN такими элементами являются титан, хром, аргон и азот. Интенсивность выделенных участков была использована для управления расходом азота в реальном масштабе времени по одному из оптических алгоритмов /1/. В этих случаях с помощью управляющей программы контроллер (13) вырабатывал сигнал на натекатель азота, позволяющий поддерживать на постоянном заданном уровне интенсивность какого-либо из указанных контрольных элементов или какого-либо из отношений интенсивности молекулярной полосы азота к интенсивности линий титана или хрома. Поддержание на постоянном уровне интенсивности спектральных линий титана или хрома равносильно поддержанию на постоянном уровне концентрации этих элементов в осаждаемом потоке при условии сохранения на постоянном уровне мощности разряда и давления в разрядной камере. Поддержание на постоянном уровне отношения интенсивностей линий титана или хрома к интенсивности полосы азота равносильно поддержанию на постоянном уровне химического состава осаждаемого потока даже при наличии нестабильности мощности разряда и давления в вакуумной камере.

Наиболее эффективным из указанных алгоритмов управления является алгоритм, основанный на поддержании отношения интенсивности молекулярной полосы азота N₂⁺ с максимумом на 391,4 нм к интенсивности группы спектральных полос титана, расположенных в интервале длин волн 361–365нм.

Рис3.3. Участок спектра с контрольными спектральными элементами, используемыми для управления расходом азота при нанесении TiCrN.

На рис.3.3 показан участок спектра, где полосами выделены указанные контрольные элементы. Выбор этих контрольных участков спектра обусловлен следующими обстоятельствами. Молекулярной полосы азота N₂⁺ 391,4 нм является самым интенсивным элементом азота. Линии титана рис.3.4. в интервале 361 – 365 нм относится к ярким и одновременно расположены близко к полосе азота, что позволяет исключить влияние запыление оптического окна на величину измеряемого отношения интенсивностей. Яркие линии хрома расположении в интервале 425,4 – 428,9 нм, где находятся линии аргона, что затрудняет выделение спектрально чистых участков хрома. На рис.3.5. аналогичное наблюдается и для трех интенсивных линий хрома, расположенных на участке 357,8 – 360,5 нм.

Рис 3.4. Участок спектра плазмы магнетронного разряда в процессе нанесения Ti, на котором расположена спектрально чистые линии Ti в интервале длин волн 361 – 365 нм.

Рис 3.5. Участок спектра плазмы магнетронного разряда в процессе нанесения TiCr, на котором расположена спектрально чистые линии Cr в интервале длин волн 357,8 – 360,5нм.