Приборы и техника эксперимента, 2023, № 1, стр. 145-148

ВВЕДЕНИЕ

При синтезе композитных наноструктурированных покрытий TiN–Cu перспективными выглядят газоразрядные устройства на основе планарного магнетрона с инжекцией ионного пучка в магнетрон [1]. Как свидетельствуют работы [2–6], коэффициент распыления, определяемый как среднее число атомов, выбиваемых из мишени одним падающим ионом, существенно зависит от угла между направлением падения ионов на мишень и нормалью к плоскости мишени. В конструкции газоразрядного устройства на основе планарного магнетрона с ионным источником [1] плоский медный центральный анод образует угол 90° между плоскостью мишени и осью симметрии продольного направления падения ионного пучка, при этом угол падения ионов составляет 0°. Эксперименты [7] свидетельствуют о том, что эффективность распыления повышается с увеличением угла падения ионов на мишень, благодаря существенному росту коэффициента распыления.

В настоящей работе рассматривается конструкция планарного магнетрона с ротационным центральным анодом. Новая конструкция позволяет существенно расширить функциональные возможности планарного магнетрона, в частности, при синтезе наноструктурированных композитных покрытий TiN–Cu.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

На основе принципа применения ротационного центрального анода разработан планарный магнетрон, рис. 1. На оси магнетрона выполнено сквозное отверстие диаметром 4 мм [8]. Соосно в отверстии установлен стержень 1 диаметром 2 мм с возможностью осевого вращения со скоростью 6.28 рад/с, этот стержень наклонно удерживает центральный медный анод 2. Стержень 1 и центральный анод 2 электрически соединены с кольцевым анодом 3 (положительный потенциал). В качестве подложек 4 используются шестигранные сменные пластины (табл. 1), тип 11114 (HNUM) ГОСТ 19068-80, из твердого сплава Т15К6, которые также применяются для проходных резцов и торцевых фрез.

Подложки располагаются горизонтально напротив активной зоны кольцевой титановой мишени 5. Пучок ионов 6 с током 4 мА и энергией ионов 10 кэВ падает на анод 2 магнетрона под углом θ ≈ 45°–50°. Кольцевые магниты 7 охлаждаются проточной водой. Свободным концом стержень 1 крепится к механическому редуктору 8 и приводится во вращение электрическим микродвигателем 9. Плазмообразующая смесь газов Ar и N₂ натекает через отверстие, расположенное на периферии в корпусе магнетрона. Ток разряда магнетрона  0.1–0.5 А, напряжение горения разряда 400–470 В. Благодаря инициированию ускоренным ионным пучком доминирующих процессов, электронно-ионной эмиссии, а также распыления катода и центрального анода магнетрона, давление, при котором зажигается аномальный тлеющий разряд в магнетроне, составляет менее 8 · 10^–2 Па [9]. Общий вид планарного магнетрона представлен на рис. 2.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Направленность распыления (см. рис. 1б) определяется углом падения ионов θ на центральный анод 2, углом между нормалью к плоскости анода и направлением падения ионов. В случае наклонного падения ионов отклонение от нормального падения на угол θ > 0° приводит к уменьшению глубины проникновения части ионов на величину cosθ в сравнении с падением ионов по нормали к плоскости анода и, как следствие, к концентрированию каскада столкновений в области поверхности медного анода, достигая максимума коэффициента распыления при углах падения в области 60°–70° [7]. При этом максимальная кучность распыленных атомов меди на ростовой поверхности подложек в предлагаемой конструкции магнетрона достигается при углах падения 45°–50°. В общем случае коэффициент распыления выражается соотношением [6, 10]

где Y_Cu(0) и Y_Cu(θ) – соответственно коэффициенты распыления при углах падения распыляющих ионов 0° и θ.

При M_Ar < M_Cu, где M_Ar и M_Cu — соответственно массы распыляющего иона и распыляемого атома, имеем примерное равенство k ~ 1. С учетом расчетной зависимости коэффициента распыления меди [11] от энергии распыляющих ионов аргона при нормальном угле падения ионов θ = 0° (рис. 3, кривая 1) из соотношения (1) рассчитаны численно значения коэффициента распыления Y_Cu(θ) в зависимости от угла падения θ (рис. 3, кривая 2). Рассчитанные значения коэффициента распыления по формуле (1) хорошо согласуются с экспериментальными значениями коэффициентов распыления Cu ионами Ar⁺ [7] в диапазоне килоэлектронвольтных энергий распыляющих ионов. Расчет показывает, что при наклонном падении ионов коэффициент распыления медного центрального анода при прочих равных условиях увеличивается с 6 до 9 атомов на один падающий ион (см. рис. 3, кривая 2), при этом обеспечивается максимальная кучность распыленных атомов меди на ростовой поверхности подложек.

Общий вид пластины из твердого сплава Т15К6 с покрытием TiN–Cu показан на рис. 4. Исследование строения поверхности композитного покрытия TiN–Cu (атомно-силовой микроскоп Multi-Mode-8) свидетельствует о том, что покрытие имеет характерную [12] однородную глобулярную структуру (рис. 5) с размерами кристаллитов в пределах 50–100 нм. Микротвердость сформированных слоев исследовали на микротвердомере ПМТ-3 М, укомплектованном цифровой камерой с программой обработки изображений отпечатков NEXSYS ImageExpert MicroHardness 2; микротвердость покрытий составляет примерно 42 ГПа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана конструкция планарного магнетрона с ротационным центральным анодом, выполняющим функции мишени, распыляемой ионным пучком, анод установлен с возможностью вращения и под углом 45°–50° относительно направления падения распыляющего ионного пучка, причем ось вращения анода совпадает с осью симметрии ионного пучка. Расчет коэффициента распыления медного центрального анода магнетрона показывает, что при наклонном падении распыляющих ионов и прочих равных условиях обеспечивается рост коэффициента распыления медного анода магнетрона с 6 до 9 атомов на один падающий ион, при этом достигается максимальная кучность распыленных атомов меди на ростовой поверхности подложек. Новая конструкция расширяет функциональные возможности планарного магнетрона, в частности, при синтезе наноструктурированных композитных покрытий TiN–Cu. Однородная глобулярная структура ростовой поверхности с размерами глобул в пределах 50–100 нм указывает на нормальный (негранный) [13] механизм наращивания покрытия TiN–Cu. Микротвердость покрытий составляет примерно 42 ГПа.