Распыление алюмооксидной керамики электронным пучком

Spraying alumina ceramic electron beam Yushkov Y.

Распыление алюмооксидной керамики электронным пучком Юшков Ю. Г.

Юшков Юрий Георгиевич / Yushkov Yury - кандидат технических наук, главный научный сотрудник, кафедра физики,

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск

Аннотация: целью настоящей работы было изучение распыления алюмооксидной керамики электронным пучком форвакуумного плазменного источника с последующим осаждением распыленного материала на подложку из собственного кремния.

Abstract: the aim of this work was to study sputtering alumina ceramic backing electron beam plasma source, followed by deposition of the sprayed material on a substrate of silicon own.

Ключевые слова: электронный пучок, керамика, масс-зарядовый спектр.

Keywords: electron beam, ceramic, mass-charge range.

Керамические покрытия, благодаря своим уникальным оптическим, антикоррозионным, диэлектрическим свойствам, а также высокой износостойкости, в настоящее время получают все большее распространение. Среди наиболее перспективных применений таких покрытий следует отметить пассивацию солнечных батарей, формирование диэлектрических слоев в конденсаторах, многослойных диэлектрических зеркал, жаропрочных, твердых покрытий.

Формирование такого рода покрытий осуществляется различными методами. Метод электронно -лучевого испарения выгодно отличается низкой стоимостью осуществления процесса, большими скоростями осаждения, возможностью регулирования параметров нанесения в широких пределах. Как правило, процесс осуществляется при рабочих давлениях, не превышающих 10-2 Па. Однако при таких давлениях в случае обработки диэлектрических мишеней пучками электронов с энергиями выше второй кроссоверной равновесной энергии, величина которой для большинства диэлектриков составляет порядка 2 кэВ, происходит их зарядка, приводящая к существенному снижению первичной энергии электронного пучка [1]. Для устранения нежелательного эффекта зарядки поверхности керамики, а также реализации самой возможности эффективной обработки керамики электронным пучком, необходимы условия для нейтрализации приносимого пучком заряда. Формирование электронного пучка форвакуумным плазменным источником при давлениях 5-20 Па обеспечивает образование в области транспортировки пучка плотной плазмы концентрацией 1010-1011см-3. Ионы генерируемой пучком плазмы обеспечивают нейтрализацию зарядки изолированной мишени, а, следовательно, открывают возможность непосредственной электроннолучевой обработки непроводящих диэлектриков без создания специальных условий для нейтрализации зарядки ее поверхности. Данный факт существенно расширяет применение электронных пучков для обработки, распыления и последующего нанесения керамических покрытий.

Эксперименты проводились с использованием известного форвакуумного источника электронов на основе тлеющего разряда с полым катодом в непрерывном режиме. Электронный пучок током 40-60 мА и энергией 2-15 кэВ создавался форвакуумным источником электронов в непрерывном режиме. Электроны извлекались из плазмы тлеющего разряда, с напряжением горения Ud = 300 - 500 V, приложенным между полым катодом и анодом, и с током разряда Id в диапазоне от 100 до 400 мА. Сфокусированный энергичный электронный пучок распространялся в газе, генерировал плотную пучковую газовую плазму и направлялся на керамическую мишень, состоящую из фрагмента алюмооксидной керамики, вызывая нагрев мишени, испарение материала и его частичную ионизацию. Нейтрализация зарядки поверхности керамики происходила благодаря ионам плазмы. Испаренный с поверхности керамики материал напылялся на подложку. Вакуум в камере поддерживался спиральным механическим безмасляным форвакуумным насосом ISP-500C, давление рабочего газа - аргона - устанавливалось равным 2-12 Па и регулировалось натекателем. Одновременно с процессом напыления проводился мониторинг масс-зарядового состояния пучковой плазмы, с помощью специально модифицированного квадрупольного масс-спектрометра.

Рис. 1. Масс зарядовый спектр

При относительно низкой мощности электронного пучка в масс-спектре наблюдались только ионы напускаемого и остаточного газа. При повышении мощности пучка в спектрах наблюдались однозарядные ионы металлов: Na+, Mg+ и K+. Появление ионов металлов в спектре визуально сопровождалось изменением цвета свечения плазмы. Увеличение мощности пучка приводило к формированию жидкого расплава, его кипению и интенсивному испарению, что сопровождалось появлением в масс-спектре ионов алюминия, а также его оксидов и гидроксидов. Следует отметить, что с дальнейшим повышением энергии пучка происходил пропорциональный рост пиков ионов алюминия, а также ионов оксидов и гидроксидов алюминия относительно пиков газовых ионов.

Литература

1. Модификация поверхности керамики импульсным электронным пучком генерируемым форвакуумным плазменным источником.

2. Бурдовицин В. А., Окс Е. М., Скробов Е. В., Юшков Ю. Г. Перспективные материалы. 2011. № 6. С. 1.3.