Исследование состава остаточного и плазмообразующего газов в камере установки вакуумного напыления

Процессы распыления мишени и конденсации покрытия происходят в газовой среде, содержащей компоненты остаточной атмосферы вакуумной камеры. В состав остаточной атмосферы за счет натекания, десорбции со стенок и газовыделения из напыляемых деталей или образцов входят различные, в том числе химически активные газы – вода, азот, кислород, углеводороды, водород, диоксид углерода. Относительные количества перечисленных компонентов зависят от множества факторов. В лабораторном и производственном оборудовании, работающем в вакууме не выше 10–4 Па, сумма парциальных давлений воды, азота и кислорода составляет обычно большую часть от давления остаточного газа [1]. Степень загрязнения плазмообразующего газа будет зависеть от давления остаточного газа, характерного для каждой вакуумной камеры с учетом ее предыстории до напыления, свойств и количества загруженных для напыления изделий и рабочего давления плазмы в процессе распыления мишеней. К типичным давлениям процесса магнетронного напыления алюминия на детали из углепластика относятся: давление остаточного газа (1 – 10)×10–4 Па, рабочее давление плазмы 0,07–0,2 Па. Следовательно, можно ожидать объемное содержание примеси (в том числе химически активных газов) от 0,05 до 1,5 %. Вовлекаемые в рабочую зону плазменного распыления эти активные компоненты атмосферы камеры будут создавать химические соединения: оксиды, нитриды, карбиды с материалом мишени, которые могут значительно изменить свойства напыляемых покрытий [2].

Анализировали состав остаточного и плазмообразующего газов в камере вакуумной установки АРМ НТП, использованной в разработке технологии напыления многослойного радиоотражающего покрытия (рис. 1).

Основное назначение установки – осаждение многослойных тонкопленочных покрытий на поверхность различных подложек, обработка образцов материалов потоками ионов, проведение ионно-плазменных исследований для научных целей, а также отработка технологических процессов напыления покрытий различного назначения.

Камера установки АРМ НТП состоит из шлюзовой и рабочей камер. Рабочая камера предназначена для проведения процессов магнетронного напыления и плазменной обработки образцов. В рабочей камере установлены магнетроны и ионные источники, системы возвратно-поступательного и вращательного перемещения подложек, экраны для ограничения зоны распыления мишеней магнетронов. Камеры откачиваются механическими и турбомолекулярными насосами.

Рабочая камера установки имеет большую площадь внутренних поверхностей, и в процессе напыления покрытий на стенках камеры, экранах и деталях оснастки осаждаются конденсаты распыляемых материалов. При замене мишеней, проведении регулировок и других работах внутрь камеры напускается атмосфера. Это приводит к тому, что конденсаты на внутренних поверхностях камеры становятся источником поступления в откачиваемый объем газов: воды, компонентов атмосферы: азота, кислорода, углекислоты, а так же газов, выделявшихся подложками в процессе предварительной обработки и напыления.

В процессе подготовки установки АРМ НТП к отработке технологии напыления радиоотражающих покрытий на основе алюминия проведены работы по очистке внутренних поверхностей камеры, экранов и внутрикамерной оснастки от конденсатов и других загрязнений с окончательной протиркой поверхностей нефрасом и этиловым спиртом.

Для контроля состава остаточного газа на один из свободных фланцев был установлен квадрупольный масс-спектрометр HPQ-2S. Прибор обеспечивает регистрацию масс-спектров в диапазоне от 1 до 100 а.е.м. при максимальном рабочем давлении до 1 Па.

Спектры масс камеры были сняты до проведения работ и после проведения монтажа необходимых мишеней в магнетроны и чистки экранов и стенок камеры в процессе напуска в камеру аргона ГОСТ 10157–79 (высший сорт) для создания плазмообразующей среды.

Масс-спектры остаточного газа после откачки камеры до вакуума 1,5×10–4 Па и плазмообразующего газа при напуске аргона, показаны на рис. 2 и 3 соответственно. Расшифровка масс-спектра показывает, что основными компонентами остаточного газа являются вода (пики 16, 17 и 18), парциальное давление 1,2×10-4 Па, азот (пики 28 и 14), парциальное давление 2,2×10–5 Па, кислород (пики 32 и 16), парциальное давление 4,5×10–6 Па, легкие углеводороды (пики 26, 27, 29, 30 и 31) с суммарным парциальным давлением 1×10–5 Па, а так же водород, гелий, углерод и фрагменты углеводородов с суммарным парциальным давлением 1×10–6 Па.

После напуска в камеру аргона (массы 40 и 20) до давления 1×10–2 Па, давления компонентов остаточного газа (включая примеси в аргоне) составили: вода (пики 16, 17 и 18) – парциальное давление 2×10–5 Па, азот (пики 28 и 14) – парциальное давление 2×10–5 Па, кислород (пики 32 и 16) – парциальное давление 6×10-7 Па, углеродсодержащие соединения (пики 15, 19, 21, 26, 27, 29, 35, 36, 37, 38, 39, 41–44) – суммарно парциальное давление 2,7×10–4 Па. Давления изотопов аргона Ar36 и Ar38 с массовыми числами 36 и 38 из этой суммы исключены. Также в расчет не брали компоненты с парциальными давлениями от 1×10–6 Па и менее. В результате получено суммарное содержание примесей в плазмообразующем газе 2,9 %, в том числе воды и кислорода 0,2 %. При дальнейшей откачке камеры до рабочего давления 0,1 Па относительное содержание примесей пропорционально уменьшается до 0,3 %, в том числе воды и кислорода 0,02 %.

Рис. 1. Схема вакуумной камеры установки АРМ НТП:

1 – шлюз; 2 – вакуумный затвор; 3 – ионный источник с замкнутым дрейфом электронов;

4 , 7 – блок магнетронов, 5 – источник газовых ионов с высокой энергией; 6 – ограничивающая щель;

8 – реверсивная камера; 9 – рельсы; 10 – рабочая камера; 11 – стол системы перемещения

Рис. 2. Масс-спектр остаточного газа после откачки камеры АРМ НТП до предварительного высокого вакуума

Рис. 3. Масс-спектр плазмообразующего газа в камере АРМ НТП в процессе напуска аргона

Для сравнения, в применяемом аргоне высшего сорта по ГОСТ 10157–79 – содержание примесей следующее: кислород – не более 0,000 7 %, азот – не более 0,005 %, вода – не более 0,000 9 %, углеродсодержащие соединения – не более 0,000 5 %, при содержании аргона – не менее 99,99 % [3]. Сле- довательно, содержание воды и суммы примесей в плазмообразующем газе более, чем на порядок превышает допускаемый ГОСТом объем примесей в применяемом для напуска аргоне.

Анализ приведенных масс-спектров показывает следующее: после проведения чистки внутренних поверхностей и откачки камеры до высокого вакуума в остаточном газе камеры и в плазмообразующем газе остается относительно большое количество химически активных газов: воды (массы 16, 17, 18), кислорода, азота, углеводородов (массы 32,16, 28, 14, 12, 24 и др.). Большое содержание углеродсодержащих газов показывает на присутствие остатков использованных растворителей, сорбированных в резиновых уплотнителях, зазорах оснастки и в других элементах камеры.

Для уменьшения загрязнения плазмообразующей атмосферы камеры и повышения чистоты состава и свойств покрытий, потребуются дополнительные меры по очистке и обезгаживании поверхностей камеры от остатков влаги и углеродсодержащих соединений.

Содержание компонентов остаточного газа камеры в плазмообразующем газе при магнетронном напылении может значительно превышать содержание примесей в аргоне ГОСТ 10157–79 марки «высший сорт», используемом для напуска в камеру.

Для обеспечения минимального загрязнения напыляемого покрытия необходимо принимать меры по тщательной очистке и обезгаживании поверхностей камеры от остатков влаги и углеродсодержащих соединений.

Перед началом проведения отработки напыления покрытий целесообразно проводить масс-спектрометрический контроль остаточного и плазмообразующего газов.