2 Экспериментальная часть

2.1 Описание экспериментальной установки "Магнетрон"

Установка "Магнетрон" (рисунок 2.1) предназначена для нанесения покрытий методом магнетронного распыления. Основными частями установки являются: вакуумная камера, магнетронный узел, блок питания, система управления напуском газа, система крепления образца и подачи на него напряжения смещения, система откачки, измерители давления.

Рис. 2.1: Внешний вид установки "Магнетрон"

На рисунке 2.2 представлена подробная схема основных элементов установки. Вакуумная камера (позиция 3), выполненная из нержавеющей стали, имеет цилиндрическую форму с восьмью выходами. Для откачки вакуумной системы используются два насоса: форвакуумный (НВР - 4.5Д) (позиция 13) и турбомолекулярный (Pfeiffer TPU 082) (позиция 10). Меж­ду насосами стоит адсорбционная ловушка (позиция 12) и проходной клапан (позиция 11). Ловушка позволяет минимизировать попадание паров масла из форвакуумного насоса в ва­куумный объем камеры. Для измерения давления используется измерительная лампа Pfeiffer Inficon PKR (диапазон измерения давления: 5 * 10^-9 - 1000 мБар), сочетающая термопарный и магнитный электроразрядный преобразователи (позиция 8). Для напуска рабочего газа и поддержания давления на необходимом уровне, установлена система плавной регулировки давления. Она включает в себя два баллона (с аргоном - позиция 19 и дейтерием - позиция 20) с редукторами и прецизионный натекатель (позиция 21). Все элементы системы натека-ния выполнены из нержавеющей стали для повышения чистоты подаваемого газа. Между камерой и насосами установлен угловой клапан (позиция 9), при помощи которого можно искусственно зарезать скорость откачки газа до нужного значения, а также изолировать камеру от насосов. Предельное остаточное давление в камере не менее 1 * 10^-5 мБар.

Основным элементом установки является планарный магнетрон (позиция 16), который устанавливается на отдельном фланце и изолируется от камеры при помощи фторопласто­вого изолятора, который является также и вакуумным уплотнением. Для охлаждения катода в процессе облучения предусмотрено съемное водяное охлаждение (позиция 17). На катоде располагается мишень для распыления (позиция 2), которая прижимается к катоду при по­мощи кольца из нержавеющей стали, что улучшает ее контакт с поверхностью магнетрона, фиксирует ее положение и не дает ей перегреваться.

Магнетрон изготовлен по классической схеме [4] с постоянным кольцевым магнитом, рас­положенным под катодом, с магнитопроводом в его центре. Магнит создаёт поле арочного типа над поверхностью катода. Силовые линии электрического поля вблизи катода направ­лены по нормали к его поверхности. Анодом являются стенки вакуумной камеры (позиция 3). В качестве катода выступает вся магнетронная система в целом. После напуска рабочего газа при приложении напряжения между катодом и анодом происходит пробой газа. Элек­троны, дрейфуя в скрещенных полях вдоль силовых линий, ионизуют рабочий газ, а ионы ускоряются в электрическом поле к катоду. Разряд имеет форму кольца, прижатого к катоду в области, где электрическое поле и магнитное поле перпендикулярны.

Рис. 2.2: Схема основных систем установки: 1 - область горения разряда; 2 - распыляемая мишень, лежащая на катоде; 3 - вакуумная камера; 4 - вакуумный ввод движения; 5

- электрические тоководы для подключения к термопаре, измеряющей температуру образца; 6 - окошко; 7 - электрический токовод для подачи напряжения смещения на образец; 8 - магнитный электроразрядный преобразователь; 9 - механический угловой клапан, соединяющий камеру и систему откачки; 10 - турбомолекулярный насос (ТМН); 11 - проходной клапан между ТМН и форвакуумным насосом; 12

- адсорбционная ловушка; 13 - форвакуумный насос; 14 - блок высоковольтного питания (БП100); 15 - лабораторный автотрансформатор регулируемый (ЛАТР); 16 - магнетронный узел; 17 - внешнее водяное охлаждение; 18 - вольтметр; 19 баллон с аргоном и редуктор; 20 - баллон с дейтерием и редуктор; 21 - игольчатый натекатель; 22 - столик для крепления образца

Для измерения напряжения между анодом и катодом установлен вольтметр (позиция 18). В качестве источника высокого напряжения используется блок питания БП100 (позиция 14) совместно с лабораторным автотрансформатором регулируемым (ЛАТР) (позиция 15). Ав­тотрансформатор необходим для регулировки подаваемой мощности. Для измерения общего тока разряда используется штатный стрелочный прибор блока питания БШОО.

Для визуального наблюдения за процессом облучения на верхнем фланце установлено окошко (позиция 6). На том же фланце установлена система, позволяющая использовать установку для нанесения различных покрытий, а также облучать образцы за счет подачи на крепежный столик смещающего потенциала. Она включает в себя ввод движения (пози­ция 4), столик (позиция 22) и токовод (позиция 7). В такой системе столик размещается на конце вакуумного ввода, что дает возможность передвигать его по вертикали, а также вра­щать. Столик изолирован от ввода движения при помощи керамического изолятора. Столик электрически связан с тоководом (позиция 11), что позволяет подавать на него смещаю­щий потенциал относительно заземленного корпуса. К столику также приварена термопара, присоединенная к тоководам (позиция 5), что позволяет измерять температуру образца. Об­разец, на который будет нанесено покрытие, может различными способами прикрепляться к столику.

Вся установка в целом установлена на передвижном стенде (на колесиках). Имеет собствен­ную выделенную систему электропитания (220/380 В) и защиту от коротких замыканий.