На сегодняшний день техника магнетронного осаждения тонкоплёночных покрытий играет весомую роль для задач по созданию новых материалов в области космоса, медицины, обрабатывающего инструмента и прочего. Магнетронные распылительные системы (МРС) зарекомендовали себя как эффективный инструмент для модификации поверхности материалов в условиях вакуума [1-3]. Они имеют целый ряд технических и технологических преимуществ перед ранее интенсивно используемыми системами термического и дугового испарения, катодного распыления и других методов получения тонкоплёночных покрытий. Существующие конфигурации МРС обладают целым набором параметров, таких как: плотность тока на мишень, рабочее давление в камере, параметры рабочего импульса (длительность, скважность), тип и величина магнитного поля и другое. Это позволяет исследователям использовать магнетронные распылительные системы как инструмент по созданию наноразмерных материалов с уникальными свойствами. В свою очередь, для промышленного применения в первую очередь актуальны задачи по энергоэффективности и производительности МРС.
Существует несколько методов повышения скорости осаждения магнетронных распылительных систем: мультикатодное распыление, распыление из жидкого катода, изменение конфигурации магнитного поля МРС и прочие подходы [3-6].
Вариация магнитной системы магнетронной распылительной системы позволило создать несбалансированные МРС, которые обеспечивают более высокую плотность тока не только на мишень, но и на подложку. Они стали ещё более эффективным инструментом по управлению кинетикой роста покрытий и их свойствами [5-7]. Однако кардинального увеличения скорости осаждения покрытий за счёт повышения плотности тока на мишень не произошло.
Развитие магнетронных распылительных систем с жидким или расплавленным катодом началось еще в 1990ых годах. Сегодня наблюдаются значительные успехи в этом направлении. В ряде работ показано, что скорость осаждения металлических покрытий может быть увеличена в 10 и более раз за счёт включения испарительного механизма в процесс эрозии мишени [8-20]. Главными препятствиями перед промышленным внедрением жидкофазных МРС является их нестабильность работы для ряда металлов, необходимость использования температуростойких тиглей (например: из молибдена).
Мультикатодное распыление [7] для решения задачи по повышению производительности получило наибольшее распространение, однако такой подход требует существенно больших финансовых затрат при создании ионно-плазменной установки. Поэтому крайне важно получить технологию высокоскоростного магнетронного распыления.
Системы с горячим или нагретым катодом могут быть использованы для решения этой задачи [21-22]. Их преимущество заключается в возможности использования уже существующих конструкций МРС или их незначительной доработкой. Основной принцип технологии магнетронного распыления с горячим катодом - снижение площади теплового контакта между катодом и корпусом магнетрона таким образом, чтобы при заданной мощности температура на мишени достигла критических температур (близких к температуре плавления), при которых возникает процесс испарения мишени. В этом случае будет наблюдаться сублимация материала мишени катода, что приведет к повышению скорости осаждения плёнок за счёт комбинации двух механизмов эрозии катода: распыления и испарения.
При выборе материала катода следует учитывать давление насыщенных паров металлов, т.е. параметр, которой свидетельствует о сублимации нагретого материала. Есть несколько металлов, которые могут интенсивно сублимировать при температуре, ниже чем температура плавления. Один из таких металлов - хром.
Плёнки хрома активно очень активно используются для задач по повышению адгезионной прочности покрытий к подложке, улучшению коррозионной стойкости материалов, а также в декоративных целях [23-25]. В этой связи интерес к распылительной системе с нагретым хромовым катодом еще более актуален.
Цель данной работы - получить данные о влиянии фактора «горячей мишени» на процесс высокоскоростного осаждения плёнок хрома с помощью МРС.
Задачи:
1.исследовать вольт - амперные характеристики (ВАХ) магнетронного разряда в случае использования полностью охлаждаемой и частично теплоизолированной мишеней;
2.определить влияние фактора «горячей мишени» МРС на скорость осаждения плёнок хрома;
3. провести оптико-эмиссионный анализ плазмы магнетронного разряда для полностью охлаждаемой и частично теплоизолированной мишени;
4. изучить влияние фактора «горячей мишени» на структуру и механические свойства плёнок хрома.
Объект исследования - магнетронная распылительная система с частично теплоизолированной мишенью из хрома.
Предмет исследования - производительность МРС с частично теплоизолированной мишенью из хрома.
Научная новизна работы заключается в использовании частично теплоизолированной мишени из хрома для повышения скорости осаждения покрытий за счёт комбинации механизмов эрозии катода: его распыления ускоренным ионами из плазмы магнетронного разряда и испарения из твёрдого состояния.
Практическая значимость работы:
1.Разработана конструкция МРС с частичной теплоизоляцией мишени.
Научные положения, выносимые на защиту:
1.Экспериментально показано, что при мощности магнетронного разряда 1,75-2 кВт процесс эрозии катода в системе с частичной теплоизоляцией происходит по двум механизмам: распыления и испарения.
2.Доказано, что фактор «горячей мишени» приводит к повышению адгезионных свойств покрытий из хрома.
Апробация результатов. Основные материалы работы были представлены и обсуждались на научных конференциях и семинарах, указанных ниже:
1. The Third International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, St. Petersburg, Russia, March 28-30 2016.
2. The 43rd Intеrnational Confеrеnсe on Меtallurgiсal Coatings and Thin Films: Abstracts, San Diego, April 25-29, 2016.
