Ионно-плазменная технологическая установка для нанесения защитно декоративного покрытия на изделия широкого потребления, страница 29

При подаче постоянного напряжения между катодом-мишенью (отрицательный потенциал) и анодом (положительный или небольшой отрицательный потенциал) возникает неоднородное электрическое поле и инициируется аномальный тлеющий разряд. Наличие замкнутых силовых линий магнитного поля у распыляемой поверхности мишени позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у мишени. Эмитированные с катода под действием ионной бомбардировки электроны захватываются магнитным полем, им сообщается сложное циклоидальное движение по замкнутым траекториям у поверхности мишени. Электроны оказываются в ловушке, создаваемой с одной стороны магнитным полем, возвращающим электроны на катод, а с другой стороны – поверхностью мишени, отталкивающей электроны.

Наличие в прикатодной области эмитированных катодом первичных энергетических электронов, которые, двигаясь вдоль поля, испытывают столкновения с атомами газа, приводит к его ионизации и последующей бомбардировке катода-мишени положительно заряженными ионами. Результатом этой бомбардировки является распыление поверхности катода-мишени и эмиссия вторичных электронов, также принимающих участие в процессе ионизации рабочего газа.

8.3 Тепловой баланс уравнения подложки

Для того чтобы определить тепловой режим подложки при нанесении покрытий с помощью магнетронных распылительных систем, необходимо разобраться в тех механизмах, которые определяют генерацию тепла в МРС.

Генерация тепла в магнетронных распылительных системах, приводящая к нагреву подложки, происходит за счет таких параметров, как:

1.  энергия конденсации распыленных атомов

2.  кинетическая энергия осаждаемых атомов

3.  энергия отраженных от мишени нейтрализованных атомов

4.  тепловой поток, переносимый излучением плазмы.

 Схема тепловых потоков в ИПТУ на основе магнетронных распылительных системах приведена на рисунке 8.4.

Qподв – энергия, которая подводится к подложке;

Qотв – отводимая от подложки энергия.

Из приведенной выше схемы видно, что при нанесении покрытия в магнетронных распылительных системах происходит генерация тепла, вследствие четырех вышеперечисленных факторов, и передача этого тепла подложке, вызывающая ее нагрев. Необходимо установить, каким образом осуществляется передача тепла, какие механизмы задействованы в этом процессе и какие факторы на него влияют. Для этого целесообразно составить уравнение теплового баланса подложки и проанализировать все его составляющие.

Количество подводимой к подложке энергии равно количеству отводимой от нее энергии. Тогда баланс тепла можно представить в виде

Qподв= Qотв,                                                       (8.1)

Qподв= Q₁+ Q₂ - Q₃+ Q₄,                                     (8.2)

где Q₁ - энергия конденсации распыленных атомов;

Q₂ - кинетическая энергия осаждаемых атомов;

Q₃ - энергия отраженных от мишени нейтрализованных атомов;

Q₄ - тепловой поток, переносимый излучением плазмы.

Тогда

Q₁+ Q₂ - Q₃+ Q₄= Q'₁+ Q'₂ - Q'₃,                                               (8.3)

где Q'₁ - энергия отводимая от подложки излучением;

Q'₂ – энергия, расходуемая на нагрев оснастки;

Q'₃ – энергия,уносимая при помощи охлаждения.

Рассмотрим подробно каждую из составляющих уравнения (8.3).

1.Энергия конденсации распыленных атомов (Q₁).

Как указывалось в предыдущем разделе, в магнетронных распылительных системах вследствие бомбардировки ионами рабочего газа катода-мишени происходит выбивание частиц с его поверхности. Далее эти частицы движутся к поверхности подложки. При достижении распыленными атомами катода-мишени поверхности подложки происходит энергоообмен между пришедшими атомами и этой поверхностью. Некоторые частицы остаются на ней, образуя покрытие, а некоторые отражаются от поверхности подложки. Процессы образования покрытия и отражения частиц напрямую зависят от количества энергии, которой обладают распыленные атомы. Энергия, которую распыленные атомы передают подложке при осаждении на ней и является рассматриваемой энергией конденсации. При образовании покрытия она приводит к нагреву подложки, поэтому в уравнении теплового баланса (8.3) слагаемое Q₁ стоит с положительным знаком.