Вакуумно-дуговой источник плазмы

Управление технологическими процессами с помощью магнитных систем и способы их расчета в ионно-плазменных устройствах напыления материалов

Нерода Алексей Сергеевич, студент,

Колодинов Владимир Павлович, студент,

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ «ЛЭТИ»).

 

В данной работе рассматриваются основные моменты, связанные с управлением потоков движения заряженных частиц в ионно-плазменных технологических устройствах. Для увеличения эффективности нанесения материалов на заготовки различной формы и размеров необходимо решить задачу конфигурации магнитного поля. Проведен сравнительный анализ результатов решения с использованием программной среды Matlab и среды моделирования Comsol Multiphysics.

Ключевые слова: ионно-плазменные устройства, вакуумно-дуговой источник плазмы, магнетронные распылительные системы, магнитная система, катодное пятно, соленоид, движение заряженных частиц, магнитостатическая задача, Matlab, Comsol Multiphysics.

Введение

Вакуумная техника и технология широко применяются для получения поверхностей различной структуры и состава, используемых как в промышленности, так и в экспериментальных исследованиях. Основными ионно-плазменными технологическими устройствами нанесения покрытия с помощью магнитных систем являются:

- магнетронные распылительные системы (аномально тлеющий разряд);

- вакуумно-дуговой источник плазмы коаксиальной конструкции (дуговой разряд).

Математическая постановка задачи заключается в решении самосогласованных нелинейных задач и сводится к расчетам полей, в которых осуществляется движение заряженных частиц и их траекторий. Выбор формы и величины индукции магнитного поля (МП) обусловлен конструкцией используемого вакуумно-дугового устройства, а также требованиями, предъявляемыми к наносимому покрытию и типу обрабатываемого изделия.

Ионно-плазменные технологические устройства

Создание покрытий плазменными методами нашло широкое применение для решения специализированных технологических задач, из-за особых преимуществ перед другими существующими способами. Получают пленки полупроводников и полупроводниковых структур, различные пленки тугоплавких металлов, многокомпонентных сплавов

Постепенно снижая диапазон рабочих давлений, снижая показатель напряжения на разрядном промежутке распылительных систем, повышая скорость осаждения стремятся увеличить эффективность процесса распыления, уменьшая уровень загрязнений и радиационных дефектов уширяют области применения ионного распыления.

Основными конструкционными узлами ионно-плазменных устройств являются: система генерации и система управления электронным пучком.

Принцип действия магнетронных распылительный систем основан на аномально-тлеющем разряде, для которого характерно высокое значение управляющего напряжения по сравнению с током разряда. Особенностью данного устройства является более сложное строение магнитной системы, так как она выполняет несколько функций: 1) стабилизирует газовый разряд на поверхности мишени; 2) задает зону распыления материала катода; 3) управляет характером движения заряженных частиц. Таким образом система состоит из набора как соленоидов, так и постоянных магнитов.

Для решения технологической задачи за основу была взята модель вакуумно-дугового устройства коаксиальной конструкции (далее ВДУ), ввиду простоты реализации магнитного узла.

Вакуумно-дуговой источник плазмы

ВДУ коаксиальной конструкции – это устройство катодного распыления материала под действием дугового разряда. Вакуумная дуга является частным случаем дуги низкого давления с холодным катодом и представляет сильноточный низковольтный разряд, реализуемый в глубоком вакууме и развивающийся в парах материала одного из электродов. При этом на катоде возникает яркое пятно, которое передвигается с большой скоростью (). Величина плотности тока достигает значений порядка (радиус которого )

Принцип действия устройства основан на испарении материала катода под действием дуги низкого давления с автоэлектронной эмиссией. Дуговой разряд подразделяется на катодную и анодную дугу. Поверхностью анода является сам корпус установки.

Магнитная система включает в себя основные элементы стабилизирующий и фокусирующий соленоиды, однако в зависимости от технологической задачи их количество может быть намного больше двух. Первостепенными условиями работы устройства являются:

1. Величина магнитной индукции внешнего поля должна быть больше значения собственного (B_вн > B_соб);

2. Плотность тока стабилизирующего соленоида должна быть выше плотности тока фокусирующего (j_is > j_if);

3. Температура катодной дуги должна быть выше температуры кипения материала катода (Т_кд > Т_км).

4. Внутренняя площадь поверхности анода должна быть не менее S_опт (значение S_опт = 1,5 м²).

Количество используемых катодных узлов зависит от требуемых условий итогового покрытия. Основными достоинствами устройства являются: простота исполнения, малый нагрев материала заготовки. Для напыления на заготовки протяженных размеров используют подвижную рамку.