2 Экспериментальные оборудования и экспериментальные результаты
2.1 Описания экспериментальных установок
2.1.1 Установка для магнетронного осаждения слоев
В экспериментальной установке РМР можно выделить следующие основные части: вакуумная камера с устройствами откачки и контроля давления, магнетронный распылитель с устройствами задания и контроля напряжения и тока разряда, система управления расходом рабочих газов.
Вакуумная установка УВН-2М-1 предназначена для вакуумного резистивного напыления тонких пленок. Она состоит из вакуумной системы, подколпачного устройства и электрического шкафа управления. Вакуумная система изображена на рисунке 12. Она создает и поддерживает вакуум в рабочем объеме установки и содержит: форвакуумный ФВН и диффузионный ДН насосы; рабочую вакуумную камеру 1; систему трубопроводов; клапаны К1 и К2; высоковакуумный затвор ВВЗ; датчики измерения давления Д1—Д3; натекатель Н; систему охлаждения; колпак рабочей камеры KPK. Форвакуумный (механический) насос служит для откачки форвакуумной магистрали и магистрали диффузионного насоса (до высоковакуумного затвора) до давления 1 0-3 Торр, а также рабочей камеры установки до давления порядка 5⋅10-2—1⋅10-2 Торр. Диффузионный (паромасляный) насос предназначен для создания и поддержания высокого вакуума в рабочем объеме установки (порядка 1 0-6 Торр).
Рисунок 12 – Схематическое изображение вакуумной системы установки УВН-2М-1.
Измерение давления проводилось вакуумметром ВИТ-3. Металлическая вакуумная камера диаметром 50 см и высотой 40 см была оснащена оптическими окнами для ввода лазерного излучения и регистрации спектров излучения. Остаточное давление воздуха системы откачки 10-3 Па.
Магнетронный распылитель установки с плоским катодом диаметром 5 см питался источником постоянного тока при мощности разряда 100–500 Вт, токах разряда 0,2–1 А и напряжениях горения разряда 500-600 В, что соответствует типичной для других магнетронных распылителей величине средней плотности мощности на катоде 25–75 Вт/см2. Крепление магнетрона в вакуумной камере позволяло ориентировать его относительно подложки путем изменения расстояния и углового положения. Подложкодержатель позволял закреплять на нем различные подложки диаметром не более 5 см и имел устройство нагрева подложек. Для регистрации изменений тока и напряжения магнетронного разряда при формировании лазерной плазмы использовался цифровой осциллограф В-483 с временным разрешением 50 нс. Сигнал на осциллограф подавался с токового шунта и делителя напряжения.
Для управления расходом рабочих газов в процессах магнетронного и комбинированного осаждения покрытий использована система оптического управления на основе малогабаритного спектрометра S100 фирмы «SOLAR Laser Systems» [5]. При проведении указанных процессов рабочим газом являлся аргон или смесь аргона с реактивным газом (кислород, азот, углеродсодержащий газ) соответственно для процессов формирования пленок чистых материалов или пленок оксидов, нитридов, карбидов. Система функционировала следующим образом. Излучение прикатодной области магнетронного разряда через оптическое окно и оптоволокно поступало на вход спектрометра S100. Программное обеспечение системы, установленное в компьютере, позволяло регистрировать и изображать в реальном времени спектр излучения плазмы в интервале длин волн 200-1100 нм, выделять из спектра любые контрольные участки длин волн, где расположены присутствующие в плазме магнетронного разряда спектральные линии распыляемого материала и молекулярные полосы или линии реактивного газа.
Интенсивность выделенных участков можно использовать для управления расходом реактивного газа в реальном масштабе времени по различным алгоритмам, заложенным в программное обеспечение системы. Управляющие сигналы по CAN-шине поступают в устройство сопряжения, преобразуются в ШИМ сигналы и направляются на натекатели газов. В качестве датчика давления использовался аналоговый сигнал вакуумметра, который через устройство сопряжения поступал в компьютер, преобразовывался в управляющий сигнал и далее через устройство сопряжения направлялся к натекателю аргона.
Программное обеспечение системы позволяло поддерживать расход рабочих газов на уровне, при котором в ходе процессов комбинированного распыления сохраняется или величина давления инертного газа в вакуумной камере, или величина давления и состав смеси инертного и реактивного газов, т.е. состав осаждаемого магнетронным распылением покрытия.