2.2 Методика проведения экспериментов

Эксперименты проводились с образцами из промышленной конденсаторной алюминиевой фольги. Нанесение углеродных покрытий производилось в стационарном магнетронном раз­ряде на установке "Магнетрон".

Рис. 2.3: Система крепления образца, распо­ложенная на крышке камеры

Рис. 2.4: Внутреннее устройство вакуумной камеры. В центре - катод магнетро­на, выложенный графитовой бума­гой

Образец изготавливается в виде пластины 5x5 см и закрепляется на столике (позиция 22). Поверх образца, около его края, прикрепляется полоска фольги размерами 5x0,3 см предна­значенная для того, чтобы оставить небольшой участок фольги необлученным (рисунок 2.3). Это дает возможность измерения толщины получившейся пленки (при помощи электронного микроскопа или профилометра). В качестве мишени для распыления используется графито­вая бумага Раруех. При помощи двухстороннего вакуумного скотча ей также обклеивается кольцо, прижимающее мишень к катоду, во избежание его распыления. Вея поверхность ка­меры и крышка закрывается алюминиевой фольгой во избежание их запыления материалом мишени (рисунок 2,4), После этого камера закрывается и откачивается в течении 10-12 часов (перед началом эксперимента остаточный вакуум был порядка 1 * 10^-5 мБар). Перед началом облучения включается водяное охлаждение катода, а скорость откачки камеры искусственно зарезается при помощи углового клапана, который установлен между основной камерой и насосами (до давления порядка 1 * 10^-4 мБар). При помощи системы напуска газа в камеру напускается рабочий газ (аргон) и подбирается режим, при котором скорость откачки и ско­рость напуска газа сравниваются. Во время эксперимента давление в камере устанавливалось на уровне 5 * 10^-3 мБар. Далее через измерительное сопротивление и токовод 7 подключается блок питания Delta Electronica SM 3004-D, подающий на образец отрицательное напряжение смещения относительно стенок камеры (в диапазоне 0-300 В), Затем включается блок пи­тания БП100 и подается разрядное напряжение на магнетронный узел. Для регулировки подаваемой мощности используется лабораторный трансформатор регулируемый (ЛАТР), Эту стадию облучения можно назвать "аргонным травлением". Затем, по истечении опре­деленного времени, напряжение смещения уменьшается до определенного значения, а ток разряда увеличивается до определенного значения. Эту стадию процесса облучения мож­но назвать "нанесением углеродной пленки", В процессе облучения следует контролировать такие параметры, как давление в камере, напряжение и ток разряда. В случае сильного па­дения давления, ток разряда также падает, что приводит к увеличению напряжение разряда. По падению напряжения на измерительном сопротивлении можно определить ток, поступа­ющий на образец. По блоку питания можно следить за величиной тока разряда.

2.4 Результаты и обсуждение

В магнетронном разряде были облучены образцы из алюминиевой конденсаторной фольги при различных параметрах горения разряда, различных напряжениях смещения и различ­ных временах облучения. В качестве примера в таблице 2.1 приведены четыре режима под­готовки поверхности образцов и нанесения на них покрытий. Во всех сериях экспериментов давление газа в камере практически не менялось.

Таблица 2.1: Параметры облучения образцов в различных экспериментах

j\No эксперимента	1 серия	2 серия	3 серия	4 серия
"Аргонное травление"
Напряжение разряда, В	360	360	360	360
Ток разряда, мА	200	200	65	50
Напряжение смещения, В	-200	-300	-300	-300
Ток на образец, мА	2	7	4,4	3
Длительность травления, мин.	10	10	15	15
"Нанесение углеродной пленки"
Напряжение разряда, В	360	360	360	360
Ток разряда, мА	200	200	320	320
Напряжение смещения, В	-20	-20	-23	-17
Ток на образец, мА	0	0	0	20
Длительность напыления, мин.	60	60	30	30

Через 30-40 минут после облучения образец извлекался из камеры. Далее для оценки сцеп­ления пленки с подложкой проводился так называемый "скотч-тест": к участку образца при­клеивался кусок скотча, затем этот скотч отдирался. Если после отдирания скотча покрытие сохранилось - это означает, что адгезия хорошая, если же часть покрытия осталась на скот­че, то сцепление пленки с поверхностью плохое. У образцов из серии 1 и 2 покрытие имело плохую адгезию. Причиной этого, по-видимому, является то, что при больших токах разря­да скорость осаждения углерода на поверхность образца превышает скорость травления. На поверхности алюминия всегда присутствует естественная оксидная пленка, которая препят­ствует хорошему сцеплению углерода с поверхностью. Поэтому перед нанесением покрытия необходимо произвести очистку поверхности алюминия от оксидного слоя. Одним из наибо­лее эффективных методов очистки поверхности от загрязнений является распыление верхне­го слоя ионами аргона - так называемое "аргонное травление" [5]. Обычно аргонное травление производят, облучая поверхность ионами Ar из ионной пушки или зажигая тлеющий раз­ряд между образцом и стенкой вакуумной камеры (в качестве катода выступает очищаемый образец). В данных сериях экспериментов травление производилось нетрадиционным спосо­бом: зажигался магнетронный разряд, и на образец подавался отрицательный относительно стенок вакуумной камеры (анода) потенциал 200-300 В. Под действием приложенной разно­сти потенциалов из плазмы магнетронного разряда вытягиваются и ускоряются ионы Ar+, которые затем производят физическое распыление поверхности за счет своей кинетической энергии. Однако, в магнетронном разряде также происходит распыление материала катода. Распыленные атомы углерода (в большинстве своем нейтральные) летят во всевозможных направлениях, попадая, в том числе, и на образец. При проведении травления необходимо преобладание процесса распыления поверхности образца над процессом осаждения углерода на поверхность. Так как количество распыляемых с катода атомов углерода зависит от тока разряда, поэтому целесообразно проводить травление при небольших значениях тока разря­да. Скорость распыления поверхности образца определяется ионным током, приходящим на образец, который зависит как от величины напряжения смещения, так и от плотности магнетронной плазмы (которая определяется током разряда). Поэтому для хорошей очистки поверхности необходимо экспериментально определить оптимальную величину тока разря­да, при которой ионное травление поверхности преобладает над осаждением углерода на поверхность, при этом напряжение смещения должно быть как можно больше.

Эти особенности травления в магнетронном разряде были учтены в сериях 3 и 4: первона­чальное травление проводилось при малом токе разряда и большом напряжении смещения, последующее нанесение углеродной пленки - при большом токе разряда и небольшом на­пряжении смещения. В результате этого получившиеся покрытия имели хорошее сцепление с подложкой - они не отдирались скотчем и не отслаивались при изгибе образца.

Еще одна серия экспериментов была проведена на магнетронной распылительной уста­новке в институте физики имени Макса Планка (Гархинг, Германия). Условия проведения данного эксперимента были схожи с нашими за исключением процесса травления: в дан­ном эксперименте траление проводилось традиционным способом (зажигался тлеющий раз­ряд между образцом и корпусом). Полученное углеродное покрытие также имело хорошую адгезию. Исследование данного образца в растровом электронном микроскопе RAITH 150 TWO показало что полученная пленка имеет зернистую структуру и толщину порядка 300 нм (что было подтверждено в исследовании образцов на профилометре) (рисунок 2.5). Поверхность пленки холмистая, в некоторых ее местах видны трещины (рисунок 2.6). Однако, присутствующие трещины являются, скорее всего, неглубокими и не ухудшают защитные свойства пленки.

Впоследствие проведенный на электронном микроскопе МИФИ анализ полученных нами образцов также соответствовал виду поверхностей, представленных на рисунках ниже.

Рис. 2,6: Изображение торца фольги

Рис. 2,7: Характерный вид поверхности пленки

Дальнейшее исследование полученных пленок проводилось на предмет их химической устойчивости к 30% раствору щелочи КОН, исходя из соображения, что непроницаемый для щелочи слой углерода будет препятствовать химической реакции алюминия с КОН. На исследуемые образцы фольги в разных участках наносили несколько капель раствора щелочи и оставляли на некоторое время. Визуально отслеживали изменение морфологии покрытия, наличие или отсутствие образования оксида алюминия в виде светло-серого налета, газообразование.

Среди исследуемых материалов на образцах 2, 3, 4 при контакте с раствором щелочи практически сразу наблюдалось газообразование, а после промывания остатков щелочи с поверхности фольги, оставался белый нерастворимый налет (оксид алюминия, комплексная соль алюминия), при этом наблюдалась деструкция (шелушение) углеродного слоя. На остальных трех немаркированных образцах (немецкие образцы) после длительного контакта с щелочью (более 24 ч.) не наблюдалось деструкции углеродного слоя или образования нерастворимого белого налета. Однако в некоторых случаях можно было заметить слабое непродолжительное газообразование.