Диссертация (1025103), страница 15
Текст из файла (страница 15)
3.2, б), былаисследовананарастровомэлектронноммикроскопесрентгеновскиммикроанализатором EVO 40. Установлено, что в центре пластины, в областипрямого воздействия плазменной струи (1 на Рис. 3.2, б), поверхность сильнооплавлена (Рис. 3.3, а). Локальный рентгеноспектральный анализ показывает,что в этой зоне образуется твердый раствор на основе титана, где присутствуетвольфрам и медь, которые попадают на поверхность титановой пластины изанода установки ПФ (Таблица 6).
Количественный анализ указывает нанеоднородность распределения этих элементов в твердом растворе.По мере удаления от центральной зоны морфология поверхностименяется – появляется волнистый рельеф (Рис. 3.3, в). Содержание вольфрамаи, особенно, меди растет, что объясняется меньшим, по сравнению сцентральной областью, испарением элементов, попавших на пластину с анодаПФ. При дальнейшем увеличении расстояния от центра образца все большевстречается частиц вольфрама сферической формы размером до несколькихмикрон (Рис.
3.3, г). На расстоянии ~3 см от центральной зоны оплавление,волнистый рельеф поверхности уже не обнаруживаются и проявляетсяисходная структура холоднокатаной титановой пластины (Рис. 3.3, е).98абвгдежзиРис. 3.3. Структура поверхности титановой пластины, облученной азотнойплазмой. Расстояние от центра воздействия плазмы: а – центр; б – спектр,снятый в центре пластины; в – 2 см; г – 2,5 см; е – 3,5 см; з – 4,5 см;г, д – частица W и ее спектр; з, и – частица Cr и ее спектр ; ж – спектр, снятыйпри низком ускоряющем напряжении (10 кэВ)99По мере дальнейшего удаления от центра содержание вольфрама и медиуменьшается (Таблица 6), обнаруживаются частицы, попадающие на титановуюпластину при распылении элементов установки ПФ.Например, на Рис. 3.3, з видна частица хрома сферической формы,по-видимому, попавшая на пластину за счет испарения этого элемента изматериала камеры установки.Что касается нитридов титана, то следует отметить, что в спектре линииN и Ti практически совпадают и при малых содержаниях азота его определениев титане затруднено.
Тем не менее, исследуя поверхность при маломускоряющем напряжении (10 кэВ), можно отметить присутствие азота в тонкомповерхностном слое (Рис. 3.3, ж), однако количественно определить егосодержание не представляется возможным.Таблица 6.Химический состав титановой пластины (Рис. 3.2, б) после облучения четырьмяимпульсами азотной плазмы на установке ПФ-4 на расстоянии 70 мм от анодаСодержание химических элементов (ат.
%) на различных расстоянияхХим.от центра воздействия плазменного пучкаэлементРасстояние от центра пластины, ммЦентр20253237455060W1,293,63,960,52――――Cu0,622,051,870,981,010,41――Mn0,850,870,80,940,810,790,850,97Al1,591,121,071,621,471,321,521,35C18,717,2118,9813,7216,7318,6717,8120,24Ti76,9575,1573,3182,2479,3978,5679,5777,14Si――――0,590,250,260,3Из приведенных данных (Рис. 3.2, 3.3) следует, что напылениеметаллических пленок на близких расстояниях от анода ПФ не представляется100возможным. Поэтому в работе для напыления на стекла пленок вольфрама,испаряющегося с анода установки, были выбраны бо́льшие расстояния: 130 мм,140 мм и 150 мм.
На Рис. 3.4 представлены фотографии поверхности стеколпосле воздействия плазмы Ar при давлении в камере установки 1,1 Торр.абвРис. 3.4. Пленки вольфрама на фотостекле при прямом воздействии5 импульсов плазмы Ar на различных расстояниях от анода установки:а – 130 мм; б – 140 мм; в – 150 ммВидно, что напыленные пленки вольфрама сильно неоднородны, приэтом на поверхности наблюдаются трещины и выколы (Рис. 3.5).12Рис. 3.5. Морфология поверхности стекла после напылении вольфрама(области 1 и 2 образца Рис.
3.4, в)101Таким образом, прямое воздействие плазменного потока даже на самыхудаленных расстояниях от анода не может привести к образованию на стеклахпленок металла оптического качества. С одной стороны, с удалением мишениот анода плотность числа частиц металла, падающих на поверхность, быстроуменьшается, и для того, чтобы получить достаточно плотные и однородныепленки необходимо увеличивать число импульсов. С другой стороны, даже принебольшом числе импульсов поверхность стекла разрушается. Другой важнойпроблемой, возникающей при напылении пленок, является неконтролируемоесодержание примесей в плазме, которые попадают в нее, испаряясь со стеноквакуумной камеры и анода установки.3.4.
Напыление пленок при диафрагмировании пучка плазмыУчитывая недостатки метода напыления пленок W свободной струейаргоновой плазмы, был предложен другой способ их получения. Из плазмы спомощью диафрагмы выделялась центральная, наиболее интенсивная частьпотока, которая направлялась на мишень, выполненную из напыляемогометалла. Мелкие частицы металла, испарившиеся с поверхности мишени,захваченныетурбулентнымпотокомплазмы,оседалинастеклах,установленных в пространстве между мишенью и диафрагмой.
Схемаэксперимента по напылению пленок металла на стеклянные подложки привоздействии плазмы изображена на Рис. 2.10 (п. 2.4).Диафрагма диаметром 120 мм с внутренним отверстием 28 мм былаизготовлена из листового дюралюминия толщиной 3 мм. Мишень представляласобой титановую пластину размером 40401 мм, закрепленную на стальнойпластине 1251252 мм. Между диафрагмой и мишенью устанавливался зазор20 ÷ 25 мм. Плазмообразующим газом являлся азот при давлении в камере1,1 Торр. Зарядное напряжение на конденсаторной батарее составляло 12 кВ.Энергию плазменного пучка, воздействующего на мишень, регулировалиизменением расстояния от анода установки до диафрагмы. В данном случае102оптимальным оказалось расстояние 30 ÷ 40 мм.
Образцы фотостекол толщиной1,5 мм располагались на различных расстояниях от центра (зоны воздействияплазмы) перпендикулярно или параллельно к плоскости титановой мишени.На Рис. 3.6 представлены образцы стекол с напыленными пленками титана.Видно, что вдоль направления движения плазменного потока в пленкахсуществует градиент плотности. На краях стеклянных пластин со сторонывоздействия плазмы имеются небольшие зоны повреждения поверхностиразмером 2 ÷ 3 мм. Остальная часть поверхности пластин остается оптическипрозрачной без заметных следов деструкции.
Измерения электропроводностипленок показали, что все пленки являются диэлектриками.абгвдРис. 3.6. Образцы фотостекол с напыленными на них пленками титана (прискользящем падении плазмы). Расстояние от центра зоны воздействияплазменного пучка до края образцов 30 мм. Число импульсов плазмы:а – 5 имп.; б – 15 имп.; в – 30 имп.
Образцы стекол располагались в плоскости«а» мишени (см. Рис. 4, п. 2.4); г – микроструктура поверхности пленки воптически прозрачной области (2 на Рис. в); в – микроструктура поверхностиподложки в области интенсивного воздействия плазмы (1 на Рис. в)103Аналогичным образом напылялись пленки на стеклянных пластинах,установленных перпендикулярно к плоскости мишени, на том же расстоянии(~30 ÷ 40 мм) от центра области воздействия плазмы. Более плотные зоныпленки шириной ~2 ÷ 3 мм находились вблизи поверхности мишени; сувеличением высоты над поверхностью мишени наблюдался резкий переход кобластименьшейплотности.На поверхностистеколимелисьследыразрушений (Рис. 3.6, г, д), аналогичные тем, что наблюдаются при прямомвоздействии плазмы (Рис.
3.5). Следует отметить, что использованиедиафрагмы из дюралюминия приводит к загрязнению пленок алюминием,поэтому диафрагму следует выполнять из металла, который напыляется наподложку. С другой стороны, диафрагма отсекает внешнюю часть плазменногопотока, содержащего значительное число атомов примесей, загрязняющихпленки (Таблица 6).При удалении образцов на большие расстояния (~50 мм и более) пленкистановятся более однородными (Рис. 3.7), однако в этом случае для полученияпленок достаточно высокой плотности необходимо большое число импульсовплазмы (> 30).абвРис. 3.7. Стекла с напыленными на них пленками титана.
Расстояние от центраплазменного пучка до образцов 50 мм. Число импульсов плазмы: а – 20 имп.;б – 30 имп.; в – 43 имп. (20 имп. в одном направлении и23 имп. – в противоположном)Средний размер напыляемых частиц в пленках был измерен на цифровомоптическом микроскопе «Leica DM ILM» (см. п. 2.11.1). При обработкеизображений пленок (Рис. 3.6, в) установлено, что более плотная ее часть (1 наРис. 3.6, в) содержит частицы средним размером 0,44 мкм. В области меньшей104плотности (2 на Рис. 3.6, в) средний размер частиц лежит на пределечувствительности микроскопа < 0,25 мкм. Фотография одного из участковнапыленной пленки (Рис. 3.7, в), имеющей достаточно равномерную плотность,приведена на Рис.
3.8. Размер частиц пленки существенно меньше 0,2 мкм. Нафотографии видно, что частицы металла статистически распределеныдостаточно равномерно и не образуют мостиков проводимости, что согласуетсяс диэлектрическим характером пленок.Рис. 3.8. Микроструктура однородной пленки Ti, напыленной на фотостекло(Рис. 3.7, в)На Рис. 3.9 приведены оптические спектры пропускания () пленок Ti,напыленных на поверхность фотостекла и стекла К208. Видно, чтокоэффициент пропускания () после напыления пленки меняется в зависимостиот их проводимости. Относительное уменьшение с увеличением толщиныпленок, в основном, связано с поглощением и рэлеевским рассеянием начастицах размером d (d – характерный размер частиц).
В нашем случае, какпоказали оптические измерения, средний размер частиц как раз соответствует видимого оптического диапазона – 0,3 ÷ 0,7 мкм. Следует отметить характерноевозрастание в красной и инфракрасной области спектра, что подтверждаетдиэлектрическийхарактернапыленныхпленокснекоторойдолейметаллической проводимости [132] Отсутствие диффузного рассеяния света надефектах поверхности (Рис.
3.5), которое обычно наблюдается при изменении105ее морфологии [99, 135], указывает на сохранение качества поверхностиисходных стекол, что подтверждается микроструктурными исследованиямиповерхности (Рис. 3.8).На Рис. 3.10 представлена фотография поверхности стекла К208 снапыленной пленкой титана, параметры облучения написаны под Рис. 3.10.абРис. 3.9. Зависимость коэффициента пропускания фотостекла (а) и стекла К208(б) от длины волны: 1 – исходное стекло; 2 – диэлектрическая пленка Ti(Рис. 3.6, в, область 2 и Рис. 3.10); 3 – металлическая пленка титана толщиной0,5 мкм [132]; 4 – электропроводная пленка Ti (Рис. 3.6, в, область 1)На Рис. 3.9 (кривая 3) приведен также спектр пропускания тонкой пленкиTi (0,5 мкм), рассчитанной по данным [132] в соответствии с формулой: = 1 – R – xR – коэффициент отражения, отн. ед.;(3.1)106 – коэффициент поглощения, см-1;x – толщина пленки, см.Рис.
3.10. Образец стекла К208 с напыленной пленкой Ti. Образецустанавливался перпендикулярно к плоскости мишени на расстоянии 53 мм отцентра плазменного пучка. Число импульсов плазмы – 23 имп.Видно,чтометаллическийхарактерпленкиTiподтверждаетсяхарактерным уменьшением в длинноволновой области спектра [136, 137].Таким образом, приведенные результаты позволяют заключить, чтополучение достаточно однородных диэлектрических пленок металлов настеклах на установке ПФ-4 вполне возможно. Однородности напыленияметалла при использовании схемы Рис. 2.10 (п. 2.4) можно достичь путемповорота образцов на 180° через определенное число импульсов (Рис. 3.7, в).Недостаткомметодаможносчитатьдостаточнодлительныйпроцесснапыления, что связано с низкой плотностью паров металла, образующихся привоздействии плазмы на мишень.На Рис. 3.11 приведена рентгенограмма стекла с напыленной пленкой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
