Приборы и техника эксперимента, 2021, № 4, стр. 44-46

ВВЕДЕНИЕ

При синтезе композитных наноструктурированных покрытий TiN–Cu перспективными выглядят процессы синтеза TiN в пара́х Cu [1–5]. Зависимость твердости покрытия от содержания меди имеет немонотонный характер. Максимальное значение твердости достигается при относительно низких концентрациях меди ~1–2 ат. % с формированием нанокомпозитной структуры. Достижение высокой твердости TiN–Cu-покрытий связано с содержанием малых атомарных концентраций меди в синтезируемых покрытиях TiN, допускающих соблюдение высокой точности наполнения медью. Определенный интерес представляют газоразрядные распылительные устройства, в которых пары Cu создаются ускоренным ионным пучком [6]. В общем случае основной количественной характеристикой ионного распыления является коэффициент распыления как среднее число атомов, выбиваемых из мишени одним падающим ионом. Зная зависимость коэффициента распыления меди от энергии ионов, можно задавать требуемую атомарную концентрацию распыленных атомов и направленно управлять твердостью композитного покрытия TiN–Cu. Кроме того, процессы распыления мишеней в вакууме ускоренным пучком ионов занимают заметное место в ряду приоритетных пучковых технологий и являются при этом одним из развивающихся направлений использования, в частности, газоразрядных источников ионов [7–11].

В данной работе рассматривается физическое распыление центрального медного анода планарного магнетрона ускоренным пучком ионов аргона в конструкции распылительного газоразрядного устройства [6] и оценивается коэффициент распыления медного анода в приближении переноса кинетической энергии в каскадах столкновений.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Вычисление коэффициента распыления центрального медного анода выполнялось применительно к характеристикам газоразрядного распылительного устройства на основе принципа инжекции ионного пучка в планарный магнетрон [6]. Магнетрон содержит титановый катод, кольцевой и центральный аноды, установленые соответственно по периметру и на оси устройства. Центральный медный анод выполняет функцию мишени. На периферии магнетрона, вдоль оси центрального анода устанавливается разрядная камера плазменного источника ионов [12–14].

В разрядной камере ионного источника инициируется отражательный разряд с полым катодом током 0.05–0.1 А. Ионы аргона извлекаются из прикатодной плазмы разряда через эмиссионный канал подачей напряжения от высоковольтного выпрямителя с выходным напряжением 1–10 кВ. При этом, в зависимости от соотношения тока разряда и ускоряющего напряжения плазменной фокусировкой реализуется формирование сравнительно слаборасходящегося пучка ионов (рис. 1). Ускоренные продольно ионы инициируют физическое распыление центрального медного анода, выполняя функцию, связанную с образованием паров меди.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Считается [15–17], что направленный поток частиц, выбиваемых, в частности, из медной мишени, состоит в основном из медьсодержащей плазмы (атомов меди, включая возбужденные и ионизованные, кластеров и электронов).

Эффективность распыления мишени Cu ионами Ar⁺ характеризуется коэффициентом распыления Y_Cu. Число атомов Y_Cu(0), выбиваемых в режиме линейных каскадов, средних энергий и масс ионов одним нормально падающим на мишень ионом, описывается в приближении переноса кинетической энергии в каскадах столкновений на основе решения линеаризованного уравнения Больцмана в его интегрально-дифференциальной форме [15–19].

На основе решения уравнений каскадной теории [19] формулу расчета Y_Cu(0) для килоэлектронвольтных энергий и средних масс распыляющих ионов можно привести к виду

где α – безразмерная функция отношения M_Cu/M_Ar массы распыляемого атома к массе распыляющего иона; α_о – боровский радиус; Z_Ar, Z_Cu – атомные номера; e² – квадрат заряда электрона; s_n(ε) – приведенное сечение ядерного торможения для взаимодействия Томаса–Ферми; U_o – энергия сублимации Cu.

Характер зависимости параметра α от отношения M_Cu/M_Ar массы атома Cu к массе иона Ar⁺ [16]:

При M_Cu/M_Ar = 1.59 параметр α = 0.351.

По нижеследующей формуле [18] вычисляется ε – приведенная энергия Линдхарда для значений энергии распыляющих ионов в диапазоне 1–10 кэВ:

где E_Ar, эВ – энергия распыляющих ионов Ar⁺.

Подставляя в (2) α_о = 0.529 Å, M_Cu = 63.54, M_Ar = 39.94, Z_Ar = 18, Z_Cu = 29, e² = 14.395 эВ ∙ Å, находим ε. Вычисленным по формуле (2) значениям ε соответствуют значения приведенных сечений ядерного торможения s_n(ε) для взаимодействия Томаса–Ферми [18], представленные ниже:

Подставляя в (1) α = 0.351 для M_Cu/M_Ar = 1.59, α_о = 0.529 Å, Z_Ar = 18, Z_Cu = 29, e² = 14.395 эВ ∙ Å, U_о = 3.46 эВ [18], M_Cu = 63.54, M_Ar = 39.94, находим численно значения коэффициента распыления Y_Cu(0) в зависимости от энергии ионов (рис. 2) при нормальном падении ионов θ = 0 (θ – угол падения ионов). Численная оценка хорошо согласуется с экспериментальными значениями коэффициента распыления Cu ионами Ar⁺ в диапазоне энергий 1–10 кэВ [16].

В условиях эксперимента ионы падают на медный анод магнетрона наклонно в виду расходимости ионного пучка под действием собственного объемного заряда (рис. 1). Угол падения ионов θ на анод отличается от нормального. В случае наклонного падения ионов отклонение от нормального падения на угол θ > 0 приводит к сокращению глубины проникновения части ионов на величину сosθ и, как следствие, к концентрированию каскада столкновений в области поверхности медного анода. В общем случае коэффициент распыления выражается соотношением [20]

При M_Ar < M_Cu показатель степени k ~ 1. Из немонотонного характера зависимости коэффициента распыления от угла падения распыляющих ионов следует, что Y_Cu(θ) > Y_Cu(0). Формула (3) свидетельствует: поправка численного значения коэффициента распыления зависит от выбора среднего значение угла падения ионов θ в расходящемся пучке распыляющим анод магнетрона (рис. 1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, одним из подходов синтеза композитных покрытий TiN–Cu является физическое распыление центрального медного анода магнетрона ускоренным пучком ионов аргона. При инжекции 1–10 кэВ ионного пучка в магнетрон коэффициент распыления медного анода магнетрона составляет 3–6 атомов на один падающий ион. Физическое распыление ионным пучком позволяет вносить и регулировать с высокой точностью и в малых долевых соотношениях примесь, в частности медь, в условиях синтеза сверхтвердых покрытий TiN–Cu реактивным магнетронным распылением и направленно воздействовать на нанокристаллическую структуру покрытий. Так [1–5] свидетельствуют, при концентрации меди ~1.5 ат. % твердость покрытия TiN–Cu составляет 42–45 ГПа, размер кристаллитов 5–25 нм.