Метод магнетрона: Определение удельного заряда электрона методом магнетрона

Содержание

Определение удельного заряда электрона методом магнетрона

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 5

Теоретическое введение

Удельным зарядом электрона называют отношение заряда е электрона к его массе m.

В магнитном поле, индукция которого ,на заряд Q , движущийся со скоростью , действует сила Лоренца:

Направление силы Лоренца совпадает с направлением вектора , если заряд Q положительный, и противоположно ему, если Q – отрицательно (см. Рис. 1).

Рис. 1

Сила Лоренца всегда направлена перпендикулярна скорости заряженной частицы (угол между ними равен ) и поэтому работы над частицей не совершает. Действительно, по определению, работа А равна:

Следовательно, действуя на заряженную частицу постоянным магнитным полем, изменить ее энергию нельзя, можно изменить лишь траекторию частицы. Это обстоятельство используют для измерения методом магнетрона, методом отклонения электронного пучка в магнитном поле Земли и другими подобными методами.

Описание установки

Магнетрон — электронная лампа, в которой электроны движутся в перекрещивающихся постоянных электрическом и магнитном полях.

Электронная лампа с коаксиальным катодом и анодом помещается в магнитное поле соленоида так, чтобы ее ось симметрии совпала с осью соленоида.

Электроны, вылетающие с поверхности катода, движутся к аноду под действием электрического поля и приобретают кинетическую энергию

где – скорость электрона, U_А — разность потенциалов между катодом и анодом.

Постоянный ток I, протекая по соленоиду, создает магнитное поле

(2)

где n – число витков на единице длины соленоида ( , N — число витков, l – длина соленоида), m — относительная магнитная проницаемость среды, в которую помещен соленоид,

m₀ = 4p×10^–7 Гн /м. Вектор индукции направлен вдоль оси симметрии соленоида. Для вакуума m =1 , B = В₀ :

. (3)

Сила Лоренца, действующая со стороны магнитного поля на электроны, играет роль центростремительной силы. Поэтому электроны, скорость которых перпендикулярно вектору , движутся по окружности радиуса r:

. (4)

Траектории электронов в слабых магнитных полях начинаются на катоде и кончаются на аноде лампы (см. Рис. 2). С увеличением тока I в соленоиде, а следовательно, с увеличением вектора индукции радиус r окружности настолько уменьшится, что электроны перестанут достигать анода, и анодный ток в лампе прекратится (см. Рис. 3).

Удельный заряд электрона находят, исключая из (1) и (3) скорость и выражая радиус r орбиты электронов через а и b – радиусы катода и анода соответственно:

. (5)

А А

b K b K

a a

Рис. 2 Рис. 3

Индукцию В₀ магнитного поля в соленоиде определяют по формуле (3), вводя поправку на конечные размеры соленоида

, (6)

где I₀ — ток в соленоиде, при котором исчезает анодный ток, R – радиус соленоида.

Порядок выполнения работы

1. Устанавливают в анодной цепи постоянное анодное напряжение U_А , указанное преподавателем. Таким образом создают условия для постоянства анодного тока I_А (контролируют с помощью миллиамперметра). Значение U_А записывают.

2. Изменяя с помощью реостата сопротивление в цепи соленоида, регистрируют зависимость I_А от I в соленоиде. Строят график I_А = f ( I ) и методом экстраполяции находят ток I₀ в соленоиде, при котором I_А = 0.

3. По формуле (6) вычисляют В₀ , а затем по формуле (5), находят . Результат представляют в виде

Контрольные вопросы

1. Какова цель работы?

2. Какие силы действуют на заряженную частицу в электрическом и магнитном полях? Какие из этих сил совершают работу над частицей? Как ее подсчитать?

3. От чего зависит индукция магнитного поля в соленоиде?

4. В каком случае ток в анодной цепи электронной лампы постоянный?

5. В какой момент исчезает анодный ток?

Лабораторная работа № 72

Определение точки Кюри

Теоретическое введение

Всякое вещество является магнетиком, т.е. оно способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). Для количественного описания намагничения магнетиков вводят векторную величину — намагниченность . В случае однородно намагниченного тела намагниченность определяется как магнитный момент единицы объема тела. В случае неоднородно намагниченного тела определяется следующим выражением:

(1)

где DV — физически бесконечно малый объем вещества, в котором находится N молекул, -магнитный момент i-ой молекулы.

Единица намагниченности в СИ – А/м.

Как показывает опыт, в несильных магнитных полях намагниченность прямо пропорциональна напряженности намагничивающего поля

(2)

где c — безразмерная величина, называемая магнитной восприимчивостью вещества.

Магнитное поле в веществе складывается из двух полей: внешнего поля, создаваемого током и поля, создаваемого намагниченным веществом

Векторная сумма

(3)

называется вектором магнитной индукции поля внутри магнетика.

Здесь m ₀ = 4p × 10^–7Гн /м — магнитная постоянная.

Так как В₀ = m₀ H , а J = c Н, то на основании (3)

(4)

Безразмерная величина называется относительной магнитной проницаемостью вещества.

Итак, В = m m₀ Н = m В₀ , откуда следует, что относительная магнитная проницаемость среды m показывает, во сколько раз изменяется магнитное поле В в магнетике по сравнению с магнитным полем В₀ в вакууме.

По поведению во внешних магнитных полях магнетики можно разделить на три класса:

1. Диамагнетики – вещества, у которых вектор всегда направлен противоположно вектору В₀ , т.е. диамагнетики намагничиваются против внешнего поля. К диамагнетикам относятся многие металлы (серебро, медь, золото и др.), большинство органических соединений, смолы и т.д. У диамагнетиков c < 0, а m < 1 . Внутри диамагнетика магнитное поле ослабляется.

2. Парамагнетики– вещества, у которых вектор совпадает по направлению с В_0,т.е. парамагнетики намагничиваются по направлению внешнего поля. К парамагнетикам относятся редкоземельные элементы, алюминий, платина и др. У парамагнетиков c > О, а m > 1 . Внутри парамагнетиков магнитное поле усиливается.

3. Ферромагнетики– сильномагнитные вещества. К ним относятся железо, никель, кобальт, гадолиний и некоторые сплавы.

Ферромагнетики обладают сложной нелинейной зависимостью В от В₀ , т. е. m является функцией В₀ . Поэтому для ферромагнетиков вводится понятие дифференциальной магнитной проницаемости , при этом m >> 1. Например, для железа m = 5000, а для сплава супермаллоя-800000.

У ферромагнетиков наблюдается явление гистерезиса, которое заключается в том, что магнитная индукция В зависит не только от значения В₀ в данный момент, но и от того, каково было В₀ раньше.

При действии на ферромагнетик переменного магнитного поля индукция В изменяется по замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса (см. Рис. 1). Если максимальное значение индукции внешнего поля таково, что намагничивание достигает насыщения, получается так называемая максимальная петля гистерезиса. Внутри максимальной петли можно получить множество других петель, образуемых во внешних полях, недостаточных для насыщения.

Если ферромагнетик, магнитный момент которого первоначально был равен нулю, поместить в магнитное поле и построить зависимость В от В₀ , получим основную, или нулевую кривую намагничения.

Если уменьшать индукцию внешнего поля от В₀ до нуля, то намагничение будет уменьшаться по кривой а в, которая лежит выше кривой оа. При В₀ = 0 намагничивание не обращается в нуль, а характеризуется остаточной магнитной индукцией В_ост. С наличием остаточного намагничивания связано существование постоянных магнитов.

В_ост

В₀

В_ок

Рис. 1

Чтобы размагнитить образец, необходимо изменить направление внешнего поля, доведя его значение до некоторой величины В_ок. Это значение индукции внешнего поля называется коэрцитивной силой.

Величины В_ост. и В_ок являются основными характеристиками ферромагнетика. Ферромагнетик с большой коэрцитивной силой (с широкой петлей гистерезиса) называют жестким. Жесткие ферромагнетики, например, углеродистые и вольфрамовые стали, применяют для изготовления постоянных магнитов. Ферромагнетик с малой коэрцитивной силой (узкой петлей гистерезиса) называют мягким. Мягкие ферромагнетики, например, мягкое железо, сплав железа с никелем, используют для изготовления сердечников трансформаторов.

Ферромагнитные свойства вещества зависят от температуры. Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура Т_с, называемая точкой Кюри, при которой вещество утрачивает ферромагнитные свойства. Для железа точка Кюри равна 768⁰ С, а для некоторых сплавов, например, пермаллоя (30 % Ni и 70 % Fe ) Т_с = 70⁰ С.

Переход вещества из ферромагнитного в парамагнитное состояние не сопровождается поглощением или выделением тепла и поэтому называется фазовым переходом второго рода.

Большое значение величины относительной магнитной проницаемости m и другие особенности ферромагнетиков можно объяснить на основе их внутренней магнитной структуры.

Ферромагнетик при температурах ниже точки Кюри представляет собой в магнитном отношении множество макроскопических( 10^–6– 10^–5 м ) областей самопроизвольной однородной намагниченности – доменов. Собственные (спиновые) магнитные моменты электронов внутри домена параллельны друг другу. Таким образом, в пределах каждого домена ферромагнетик обладает определенным магнитным моментом. Направления магнитных моментов разных доменов различны, поэтому в целом в отсутствии внешнего поля суммарный магнитный момент тела равен нулю.

Между доменами существуют переходные слои, в которых намагничение непрерывно меняет направление.

Форма кривой намагничения и наличие петли гистерезиса у ферромагнетиков обусловлены изменениями доменной структуры во внешнем магнитном поле.

При дальнейшем увеличении внешнего поля процесс поглощения одними доменами (энергетически более выгодными) других идет все дальше до их полного поглощения. На следующем этапе начинается ориентация моментов доменов в направлении поля. При этом спиновые магнитные моменты электронов в пределах домена поворачиваются одновременно без нарушения их строгой параллельности друг другу. Необходимость этих процессов и является причиной гистерезиса.

В точке Кюри интенсивность теплового движения атомов оказывается достаточной для разрушения доменов и ферромагнетик становится парамагнетиком. При охлаждении ферромагнетика ниже точки Кюри в нем снова возникают домены.

Установлено, что ферромагнитными свойствами могут обладать только кристаллические вещества, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки с некомпенсированными спинами. В подобных кристаллах могут возникать силы, которые вынуждают магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно друг другу. Эти силы, называемые обменными, имеют квантовую природу. Они обусловлены волновыми свойствами электронов.

Рекомендуемые страницы:

В микроволновой печи скрывается мощное и опасное СВЧ оружие / Хабр

Добрый день, уважаемые хабровчане.

Этот пост будет про недокументированные функции микроволновой печи. Я покажу, сколько полезных вещей можно сделать, если использовать слегка доработанную микроволновку нестандартным образом.

В микроволновке находится генератор СВЧ волн огромной мощности

Мощность волн, которые используются в микроволновке, уже давно будоражит моё сознание. Её магнетрон (генератор СВЧ) выдаёт электромагнитные волны мощностью около 800 Вт и частотой 2450 МГц. Только представьте, одна микроволновка вырабатывает столько излучения, как 10 000 wi-fi роутеров, 5 000 мобильных телефонов или 30 базовых вышек мобильной связи! Для того, что бы эта мощь не вырвалась наружу в микроволновке используется двойной защитный экран из стали.

Вскрываю корпус

Сразу хочу предупредить, электромагнитное излучение СВЧ диапазона может нанести вред вашему здоровью, а высокое напряжение вызвать летальный исход. Но меня это не остановит.
Сняв крышку с микроволновки, можно увидеть большой трансформатор: МОТ. Он повышает напряжение сети с 220 вольт до 2000 вольт, что бы питать магнетрон.

В этом видеоролике я хочу показать, на что способно такое напряжение:

Антенна для магнетрона

Сняв магнетрон с микроволновки я понял, что включать просто так его нельзя. Излучение распространится от него во все стороны, поражая всё вокруг. Не долго думая я решил смастерить направленную антенну из кофейной банки. Вот схема:

Теперь всё излучение направленно в нужную сторону. На всякий случай я решил проверить эффективность этой антенны. Взял много маленьких неоновых лампочек и выложил их на плоскости. Когда я поднёс антенну с включенным магнетроном, то увидел, что лампочки загораются как раз там где нужно:

Необычные опыты

Сразу хочу отметить, СВЧ значительно сильнее влияет на технику, чем на людей и животных. Даже в 10 метрах от магнетрона, техника давала сильные сбои: телевизор и муз-центр издавали страшный рычащий звук, мобильный телефон вначале терял сеть, а потом и вовсе завис. Особо сильное влияние магнетрон оказывал на wi-fi. Когда я поднёс магнетрон близко к музыкальному центру, с него посыпались искры и к моему удивлению он взорвался! При детальном осмотре обнаружил, что в нём взорвался сетевой конденсатор. В этом видео я показываю процесс сборки антенны и влияние магнетрона на технику:

Используя не ионизирующее излучение магнетрона можно получить плазму. В лампе накаливания, поднесённой к магнетрону, зажигается ярко светящийся желтый шар, иногда с фиолетовым оттенком, как шаровая молния. Если вовремя не выключить магнетрон, то лампочка взорвётся. Даже обычная скрепка, под воздействием СВЧ превращается в антенну. На ней наводится ЭДС достаточной силы, что бы зажечь дугу и расплавить эту скрепку. Лампы дневного света и «экономки» зажигаются на достаточно большом расстоянии и светятся прямо в руках без проводов! А в неоновой лампе электромагнитные волны становятся видимыми:

Хочу вас успокоить, мои читатели, ни кто из моих соседей не пострадал от моих опытов. Все ближайшие соседи сбежали из города, как только в Луганске начались боевые действия.

Техника безопасности

Я настоятельно не рекомендую повторять описанные мною опыты потому, что при работе с СВЧ требуется соблюдать особые меры предосторожности. Все опыты выполнены исключительно с научной и ознакомительной целью. Вред СВЧ излучения для человека ещё не до конца изучен. Когда я близко подходил к рабочему магнетрону я чувствовал тепло, как от духовки. Только изнутри и как бы точечно, волнами. Больше ни какого вреда я не ощутил. Но всё же настоятельно не рекомендую направлять рабочий магнетрон на людей. Из-за термического воздействия может свернуться белок в глазах и образоваться тромб в крови. Так же ведутся споры о том, что такое излучение может вызвать онкологические и хронические заболевания.

Необычные применения магнетрона

1 — Выжигатель вредителей. СВЧ волны эффективно убивают вредителей, и в деревянных постройках, и на лужайке для загара. У жучков под твёрдым панцирем есть влагосодержащее нутро (какая мерзость!). Волны его в миг превращают в пар, при этом не причиняя вреда дереву. Я пробовал убивать вредителей на живом дереве (тлю, плодожорок), тоже эффективно, но важно не передержать потому, что дерево тоже нагревается, но не так сильно.
2 — Плавка металла. Мощности магнетрона вполне хватает для плавки цветных металлов. Только нужно использовать хорошую термоизоляцию.
3 — Сушка. Можно сушить крупы, зерно и т. п. Преимущество этого метода в стерилизации, убиваются вредители и бактерии.
4 — Зачистка от прослушки. Если обработать магнетроном комнату, то можно убить в ней всю нежелательную электронику: скрытые видеокамеры, электронные жучки, радиомикрофоны, GPS слежение, скрытые чипы и тому подобное.
5 — Глушилка. С помощью магнетрона легко можно успокоить даже самого шумного соседа! СВЧ пробивает до двух стен и «успокаивает» любую звуковую технику.

Это далеко не все возможные применения испытанные мной. Эксперименты продолжаются и вскоре я напишу ещё более необычный пост. Всё же хочу отметить, что использовать так микроволновку опасно! Поэтому лучше так делать в случаях крайней необходимости и при соблюдении правил безопасности при работе с СВЧ.

На этом у меня всё, соблюдайте осторожность при работе с высоким напряжением и микроволнами.

Применение

В радарных приборах волновод присоединяется к антенне, имеющей вид конического рупорного облучателя с параболическим отражателем («тарелка») или представляющей собой целевой волновод, Магнетрон управляется при помощи коротких высокоинтенсивных импульсов подаваемого напряжения. Результатом такого воздействия становится излучение короткого импульса микроволновой энергии, порция которой отражается обратно волноводу и антенне и поступает на чувствительный приемник. Сигнал подвергается дальнейшей обработке, после чего появляется в виде радарной карты А1, отображаемой на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ).

В большинстве моделей современных микроволновых печей волновод заканчивается специальным прозрачным для радиочастот отверстием, которое расположено в камере для готовки. Обязательным условием является нахождение продуктов в печи во время ее работы. В данном случае вместо того, чтобы отражаться в волновод, в котором интенсивные стоячие волны могут стать причиной искрения, микроволны будут поглощаться.

Продолжительное искрение может вывести магнетрон из строя или повредить его. Если в камере микроволновой печи готовится пища в небольшом количестве, рекомендуется поставить в нее стакан воды, что будет способствовать поглощению микроволн.

Требования надежности в судостроительной, химической и атомной промышленности приводят к необходимости тщательного контроля изделий с крупными габаритами, включающего идентификацию и обнаружение дефектов (инородных включений, полостей, трещин или раковин), при этом их толщина в стальном эквиваленте может в некоторых случаях достигать 600 мм. Наиболее эффективным инструментом для контроля качества общепринято считаются ускорители заряженных частиц.

НИИЭФА им. Д.В. Ефремова разработано и поставлено около 30 подобных приборов на промышленные предприятия России и множества зарубежных стран. Благодаря наличию новых комплектующих были изготовлены современные дефектоскопы УЭЛ-6-Д и УЭЛ-10-Д, где широко используются магнетроны.

Использование СВЧ-технологии

СВЧ-технологии могут использоваться для сушки, обеззараживания, дезинфекции и тепловой стимуляции зерна, а также для улучшения его хлебопекарных качеств. При помощи сверхвысокочастотной энергии проводится стерилизация и пастеризация жидких пищевых продуктов. Кроме того, такие системы способны точно поддерживать заданные технологические режимы, что позволяет сушить лекарственные травы и выполнять другие подобные операции.

Магнетрон М-168, уровень мощности которого составляет 5 кВт, часто используется в установках для полимеризации пластика, вулканизации резиновых деталей и обрезинивания тросов. Интеграция электронных микроволновых генераторов в автоматические производственные линии достаточно проста, что обеспечивается за счет их компактности, экономичности и приемлемой стоимости. Дополнительным преимуществом подобных устройств является возможность комбинирования с другими способами обработки, такими как пропаривание. Перед использованием магнетронов для конкретной операции необходимо учитывать несколько факторов, в том числе:

Стоимость энергии.

Качество конечного продукта.

Объем инвестиций.

Требуемые площади.

Скорость обработки.

Определение этих параметров позволит установить эффективность использования микроволнового нагрева перед традиционными методами.

Применение СВЧ-технологии в промышленности

Сушка солей металлов.

Повышение текучести нефтепродуктов.

Нагрев мясной продукции.

Пастеризация жидких пищевых продуктов.

Прессование и склеивание изделий из дерева.

Отверждение пенополиуретана.

Сушка литейных стержней.

Устранение загустения и кристаллизации меда.

Сушка дерева и деревянных изделий.

Отверждение эпоксидных и полиэфирных смол.

Вулканизация шин.

Изготовление автомобильных СВЧ-печей.

Получение кислот.

Разложение нитратов.

Применение СВЧ-технологии в других отраслях

Строительство

Специальное назначение

Иные сферы применения

СВЧ-сушка кирпича.

Прокладывание подземных инженерных коммуникаций.

Размораживание мерзлых грунтов, в том числе в ж/д вагонах.

Поиск поверхностных объектов.

Уничтожение подповерхностных объектов.

Радиолокация.

Медицина.

Научные исследования.

Сельское хозяйство.

Ускоритель УЭЛ-10-Д в цехе Ижорского завода, Санкт-Петербург, 2010 г.

Преимущества и экономическая эффективность магнетронов

Рабочие частоты световых и инфракрасных источников на 2-3 порядка выше по сравнению с микроволнами. По данной причине глубина проникновения значительно уменьшается, и нагреваются только поверхности обрабатываемого объекта. Нагрев остального объема осуществляется благодаря медленному процессу теплопроводности, что зачастую ведет к потере качества материала и термомеханическим повреждениям.

Для разогрева продуктов, сушки, варки и других операций, в которых временные затраты имеют первостепенное значение, использование микроволн является более предпочтительным вариантом по сравнению с тепловым излучением. Например, при приготовлении фруктов или овощей СВЧ-технология помогает сохранить вкус и свежий вид, при этом содержание витаминов практически не уменьшается.

Экономия энергии при применении магнетронов обеспечивается за счет следующих преимуществ:

Возможность точного регулирования температуры.

Мгновенное включение и выключение.

Лучшая фокусировка.

Высокая плотность мощности.

Характеристики промышленных магнетронов

Тип магнетрона	Фирма	Частота, МГц	Р_вых, кВт	U_a, кВ	КПД, %
М-116-50	Магратеп	915	50	13	75
М-116-100	Магратеп	915	100	19,5	85
М-137	Магратеп	433	50	13	75
М-168	Магратеп	2450	5	5	63
М-172	Магратеп	2450	2	5	70
YJ1600	Philips	2460	5	7,5	72
CWM-30S	California Tube Lab	2450	30	16,5	67
NL915-50	Richardson Electronics	915	50	15	83

Радиационные характеристики ускорителей

Эффективный диаметр фокусных пятен на мишени не превышает 2 мм;

Энергия ускоренного электрона достигает 10 МэВ / 6 МэВ;

Максимальный уровень средней мощности дозы излучения, которое генерируется на расстоянии 1 м от тормозной мишени, расположенной на центральной оси — 10 Гр/мин / 30 Гр/мин;

Асимметрия полей тормозного излучения не должна превышать 5.

Габариты и масса отдельных элементов ускорителей

Наименование оборудования	Длина, мм	Ширина	Высота	Масса, кг
Излучатель (без подвески)	2040	880	920	900
Блок управления	530	430	150	25
Теплообменник	645	600	680	130

Конструкция ускорителя

Излучатель монтируется на тележке мостовых кранов с помощью специального подвеса, позволяющего менять положение относительно изделия от 1350 (влево) до 1800 (вправо) в горизонтальной плоскости и от 950 (вниз) до 450 (вверх) в вертикальной плоскости.

Излучатель имеет вид силовой рамы,изготовленной из алюминиевого профиля. Внутри него расположено практически все техническое оборудование ускорителя, в том числе система высоковольтного питания, которая состоит из импульсного модулятора магнетрона и высоковольтного выпрямителя.

Электронные пучки, эмитированные катодом источника электронов и ускоренные в диафрагмированном волноводе, направляются на мишень, где происходит их преобразование в тормозное излучение. Источником высокочастотной энергии в ускорителе УЭЛ-6-Д служат магнетроны MG5193 (GLM5193), а в ускорителе УЭЛ-10-Д – магнетроны MG5193 (GLM5193).

В качестве основы системы управления ускорителями используются промышленные компьютеры, расположенные на пульте управления, а все блоки сопряжения установлены в самом излучателе.

Температурная стабилизация ускоряющих устройств и охлаждение магнетрона и тормозной мишени обеспечиваются за счет замкнутого контура водяного охлаждения при помощи водо-воздушных теплообменников. Это приспособление имеет небольшие габаритные размеры и малый вес, что позволяет расположить его рядом с излучателем непосредственно на кране.

Для электропитания ускорителей требуется трехфазная сеть переменного тока напряжением 3×380 В ±10%, 50 Гц ±1%. Уровень потребляемой мощности не должен превышать 15 кВА для ускорителя марки УЭЛ-6-Д и 20 кВА для ускорителей модели УЭЛ-10-Д.

Ускорители имеют продолжительный трехсменный режим работы с одночасовым перерывом между отдельными сменами, предназначенный для проведения осмотра. Такие приборы востребованы в машиностроительной отрасли, а также часто используются в составе томографических и интроскопических комплексов и системе таможенного контроля.

Неисправности магнетронов | yourmicrowell.ru

В предыдущих статьях мы выяснили, что магнетрон является весьма сложным электронным компонентом микроволновой печи и состоит из довольно большого количества деталей. Всем известно, что чем сложнее устройство, тем меньше его надежность. Работа любого сложного устройства в целом, зависит от исправности каждой отдельно взятой детали, которая входит в состав этого устройства. Следовательно – чем больше деталей содержит устройство, тем больше неисправностей может возникнуть в нем. В этой статье, рассмотрим наиболее распространенные неисправности магнетрона. Но прежде чем мы начнем, хочу напомнить вам о соблюдении необходимых мер безопасности при ремонте микроволновых печей.

Перед тем как, вскрыть кожух печи, обязательно отключите ее от питающей сети. После того как вы снимите кожух, разрядите высоковольтный конденсатор. Для этого отверткой с хорошо изолированной ручкой замкните вывод конденсатора, к которому присоединен высоковольтный диод, на корпус печи!

У каждой вещи, будь то электроприбор или какой то механизм, есть свой срок годности и ресурс работы. В нашем мире нет ничего вечного и магнетрон не исключение. Ресурс работы магнетрона напрямую зависит от режима его эксплуатации. Чем интенсивнее работает микроволновая печь, тем меньше прослужит магнетрон. В процессе долгой эксплуатации магнетрон «стареет и изнашивается», в результате возникает такая неисправность, как потеря эмиссии катода, т.е. область катода со временем истощается, и он теряет способность эмитировать электроны в рабочую область, из-за чего магнетрон и перестает работать. Вторая неисправность, которая может возникнуть в процессе долгой эксплуатации – это обрыв нити накала. В этом случае можно привести в пример обычную лампу накаливания, сколько бы она вам не светила, рано или поздно, все равно перегорит. В результате обрыва нити накала, возникает приблизительно та же ситуация, что и в первом случае. Катод не подогревается, следовательно – нет эмиссии. Эти две неисправности часто встречаются на практике, а если рассуждать теоретически, то можно предположить возникновение третьей неисправности в результате продолжительной эксплуатации печи – это выход из строя магнитной системы магнетрона. В случае неисправности магнитной системы электроны будут просто лететь от катода к аноду, не будут «кружить» вдоль поверхности анода и СВЧ колебаний в резонаторах не возникнет. На практике, именно в магнетронах мне такое не встречалось, но встречалось в других устройствах содержащих постоянные магниты. От времени или под воздействием внешних факторов, постоянный магнит может терять свои свойства (размагничиваться).

Как проверить работоспособность магнетрона? В случае с обрывом нити накала, все очень просто – надо взять обычный тестер, переключить его в режим измерения сопротивления (желательно в один из первых), и коснуться щупами клемм питания магнетрона, предварительно отсоединив хотя бы одну из них от цепи питания. В случае исправности нити накала, тестер покажет сопротивление порядка 2 – 3 Ома, практически короткое зам

Магнетронное распыление — технология и установки тонких пленок мишени метод реактивное недостатки видео

Магнетронное распыление – технология и установки.

Магнетронное распыление – технология нанесения тонких плёнок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме магнетронного разряда — диодного разряда в скрещенных полях. Напыление металлов и сплавов производят в среде инертного газа, как правило, аргона.

Описание

Преимущества

Применение

Описание:

Магнетронное распыление – технология нанесения тонких плёнок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме магнетронного разряда — диодного разряда в скрещенных полях. Технологические устройства, предназначенные для реализации этой технологии называют магнетронными распылительными системами или, сокращённо, магнетронами.

Напыление металлов и сплавов производят в среде инертного газа, как правило, аргона.

Принцип магнетронного распыления основан на образовании над поверхностью катода кольцеобразной плазмы в результате столкновения электронов с молекулами газа (чаще всего аргон). Мишень устройства магнетронного распыления является источником распыляемого материала. Положительные ионы, образующиеся в разряде, ускоряются в направлении катода – мишени, бомбардируют его поверхность, выбивая из неё частицы материала.

Тяжелый ион аргона (белый шарик) разгоняется в электрическом поле и выбивает из мишени атом материала (красный шарик), который высаживается на поверхности подложки, образуя на ее поверхности пленку.

Покидающие поверхность мишени частицы осаждаются в виде плёнки на подложке, а также частично рассеиваются на молекулах остаточных газов или осаждаются на стенках рабочей вакуумной камеры.

При столкновении ионов с поверхностью мишени происходит передача момента импульса материалу. Падающий ион вызывает каскад столкновений в материале. После многократных столкновений импульс доходит до атома, расположенного на поверхности материала, который отрывается от мишени и высаживается на поверхности подложки. Среднее число выбитых атомов на один падающий ион аргона называют эффективностью процесса, которая зависит от угла падения, энергии и массы иона, массы испаряемого материала и энергии связи атома в материале. В случае испарения кристаллического материала эффективность также зависит от расположения кристаллической решетки.

Для эффективной ионизации аргона, распыляемый материал(мишень) размещают на магните. В результате эмиссионные электроны, вращающиеся вокруг магнитных силовых линий локализуются в пространстве и многократно сталкиваются с атомами аргона, превращая их в ионы.

При бомбардировке поверхности мишени ионами генерируются несколько процессов:

– ионное(катодное) распыление материала мишени,
– вторичная электронная эмиссия,
– десорбция газа,
– имплантация дефектов,
– ударная волна,
– аморфизация.

Магнетронное распыление позволяет получать высокую плотность ионного тока, а значит, и высокие скорости распыления при относительно низких давлениях порядка 0,1 Па и ниже.

Преимущества:

– покрытия полученные данным способом характеризуются высокой равномерностью, относительно низкой пористостью и высоким уровнем адгезии к подложке,

– возможность нанесения покрытия сложного состава,

– возможность наносить покрытия на большие площади,

– относительно дешевый метод осаждения,

– низкие температуры подложки,

– хорошая однородность покрытия,

– хорошая управляемость,

– возможность нанесения нескольких покрытий в одном технологическом цикле.

Применение:

– в электронике: для осаждения тонких пленок, полупроводников, диэлектриков, металлов,

– в оптике: для нанесения проводящих, отражающих, поглощающих покрытий,

– в машиностроении: для нанесения специальных покрытий, улучшающих свойства используемых материалов,

– в легкой промышленности: для получения металлизированных тканей.

Найти что-нибудь еще?

Как из колокольни сделать магнетрон. Пособие для чайников.

LiveJournal

Main
Ratings
Interesting
iOS & Android
Disable ads

Login
CREATE BLOG
Join
English
(en)

Диагностика разрядов с магнетронным распылением методом резонансной абсорбционной спектроскопии

1. Введение: разряды с магнетронным распылением

Среди семейств связанных с плазмой методов, используемых для выращивания тонких пленок, наиболее часто используются методы физического осаждения из паровой фазы (PVD). . Методы, связанные с PVD, охватывают широкий спектр методов осаждения, включая напыление, вакуумно-дуговое напыление, лазерную абляцию и распыление. Эти методы отличаются от другого класса, называемого химическим осаждением из паровой фазы (CVD), в том смысле, что источник материала является твердым или жидким, в отличие от газообразного в случае CVD [1].Термическое напыление было наиболее часто используемым процессом PVD в течение многих лет из-за простоты обращения и относительно высокой скорости осаждения по сравнению с первым известным процессом распыления, а именно диодным распылением [2]. Последний процесс известен с момента его первого описания в 1852 году У. Р. Гроувом, который выполнил напыление с помощью массивной индукционной катушки [3]. При диодном напылении ионы распыляемого газа, обычно аргона, попадают на катод с отрицательным смещением (также известный как мишень) с энергией до нескольких сотен электрон-вольт (эВ).Эта энергия достаточно высока, чтобы вызвать выброс поверхностных атомов, за которым следует их конденсация на поверхностях камеры, включая потенциальную подложку [4]. Однако при диодном напылении из-за относительно высокого технологического давления, необходимого для обеспечения стабильности разряда (около 0,1 Торр), длина свободного пробега выброшенных атомов находится в миллиметровом диапазоне, что намного меньше типичного расстояния между подложкой и мишенью. (диапазон см), что приводит к относительно низкому качеству нанесенного покрытия.

Ограничения диодного распыления были преодолены в 196 раз благодаря работам Э. Кея и У. Гилла [5,6], которые предложили использовать магнитное поле для создания эффективного захвата электронов над катодом (мишенью), чтобы для ускорения ионизации и самого распыления. Область захвата электронов создается из-за того, что электроны распространяются в основном вдоль силовых линий магнитного поля в результате хорошо известного эффекта гирации (радиус гирации находится в диапазоне мкм).За внедрением магнитного поля для распыления, естественно получившим название «магнетрон», вскоре последовало введение в 1974 году планарных источников магнетронов [2,7], отличительной чертой которых было наличие постоянных магнитов под катодом. как схематично показано на рисунке 1. В результате захвата электронов эти нововведения привели к существенному увеличению степени ионизации распыляемого (объемного) газа в непосредственной близости от катода. В результате давление, необходимое для поддержания разрядного тока в этом случае, может быть уменьшено примерно на один порядок величины, т.е.е., вплоть до диапазона mTorr [5]. Другой важный момент, связанный с эффективностью магнетронного распыления, — это топология магнитного поля. Действительно, расположение магнитов под катодом существенно влияет на степень удержания электронов над мишенью. В так называемых сбалансированных магнетронных источниках область плотной плазмы над мишенью примерно сопоставима с ее радиусом (в предположении плоской круглой мишени) [8]. Если подложка расположена за пределами этой области, бомбардировка растущей пленки ионами плазмы существенно уменьшается (результирующий ионный ток составляет <1 мА / см ²), что ограничивает преимущества процесса распыления.Этот эффект отличается от так называемых несбалансированных источников, где топология магнитного поля вблизи катода иная, позволяя некоторым силовым линиям магнитного поля достигать подложки. В этом случае плазма не удерживается полностью, и могут быть достигнуты плотности ионного тока около 2–10 мА / см ², что обычно на порядок выше, чем в случае сбалансированных магнетронов [9].

Рисунок 1.

Типичный источник магнетрона, вид сбоку, включая плоскую круглую магнетронную мишень, постоянные магниты и систему охлаждения.Схематично показаны силовые линии магнитного поля.

Помимо конфигурации магнитного поля, форма волны напряжения и частота ее повторения также играют важную роль в магнетронном распылении. Разработка источников плазмы, использующих этот эффект, была в основном обусловлена эффективным нанесением изолирующих соединений с использованием реактивного распыления (см. Ниже). Таким образом, в дополнение к хорошо известным устройствам магнетронного распыления постоянного тока (DCMS), высокочастотные (RF) источники магнетронов в основном работают на 13.56 МГц. Следуя той же тенденции, в начале 1990-х годов была предложена идея использования импульсного DCMS (также известного как P-DCMS или импульсный DC) (см., Например, [10,11]). В большинстве случаев источники импульсного постоянного тока работают с последовательным чередованием отрицательного (фаза распыления) и положительного (фаза рассеяния заряда) циклов напряжения. Источник питания в этом случае может быть униполярным или биполярным, в зависимости от полярности используемых импульсов. В настоящее время в большинстве процессов магнетронного распыления для синтеза изоляционных композиционных покрытий используется метод импульсного магнетронного распыления [9].

Дальнейшее развитие технологии импульсного магнетронного распыления привело к появлению нового семейства процессов магнетронного распыления, так называемых методов ионизированного физического осаждения из паровой фазы (IPVD) [12]. В типичном разряде IPVD значительная часть распыленных атомов ионизируется, достигая в некоторых случаях до 100%. Основная идея методов IPVD заключается в создании более плотной плазмы, чем при обычном магнетронном распылении, чтобы ионизировать распыленные атомы более эффективно (до уровня числовой плотности ~ 10 ¹³ –10 ¹⁴ см ^–3 vs.10 ⁸ –10 ¹¹ см ^–3 в корпусе DCMS). Среди различных подходов, направленных на повышение степени ионизации, таких как использование индукционной катушки [13] или полых катодов [14], технология импульсного магнетронного распыления высокой мощности или HiPIMS (также известная как импульсное импульсное магнетронное распыление большой мощности — HPPMS), является наиболее известным примером IPVD. Разряд HiPIMS использует длительность импульса от нескольких мкс до нескольких сотен мкс, а частота повторения импульсов обычно варьируется от ~ 10 Гц до ~ 10 кГц.В этих условиях пиковая плотность тока может достигать значений до нескольких А / см ^–2 по сравнению с несколькими мА / см ^–2 в DCMS, но только в течение короткого времени, обычно 1-2% от период повторения [15]. В результате в плазме вовремя генерируется плотная плазма, что обеспечивает не только эффективное распыление мишени, но и высокую степень ионизации металлического пара [16], в то же время сохраняя среднюю приложенную мощность, сравнимую со средней мощностью DCMS [15–17]. ]. Схематическое сравнение методов DCMS, P-DCMS и HiPIMS с точки зрения приложенной мощности показано на рисунке 2.Обратите внимание, что уровень усредненной по времени мощности, подаваемой на распыленный катод в каждом случае, примерно одинаков, что, прежде всего, связано с тем, что постоянные магниты под мишенью не должны перегреваться и достигать температуры Кюри (т.е. всего около 580 К для широко используемых магнитов на основе неодима). Фактический уровень подаваемой мощности обычно равен нескольким сотням ватт и часто определяется системой охлаждения источника магнетрона (то есть температурой воды), используемой под целью.Интерес к импульсным магнетронным разрядам и, в частности, HiPIMS-разрядам как с научной, так и с прикладной точек зрения непрерывно возрастает с момента появления этих методов [18,19]. Основные преимущества метода HiPIMS, а также достижения в характеристике этих разрядов описаны в многочисленных работах [15,17,20–23].

Рисунок 2.

Сравнение методов магнетронного распыления DCMS (a), P-DCMS (b) и HiPIMS (c) с точки зрения временного распределения приложенной мощности.Типичный диапазон соответствующих параметров разряда и значений по горизонтальной и вертикальной осям приведены только для справки. Величины f, tON, DR и Ppeak обозначают частоту повторения, время включения плазмы, коэффициент заполнения и пиковую мощность соответственно.

Почему важно знать абсолютную плотность в плазме и особенно в разрядах магнетронного распыления? Есть несколько основных причин, по которым этот параметр критичен. Во-первых, поток частиц в разряде можно оценить, зная плотность и скорость каждого вида распыленных частиц, что имеет решающее значение для любого процесса роста пленки.Во-вторых, физика и химия разряда могут быть значительно прояснены, если правильно рассчитать абсолютную концентрацию соответствующих веществ в разряде. В-третьих, абсолютная концентрация частиц разряда или их потоков может использоваться в качестве входной информации для дальнейшего кинетического / химического моделирования процессов разряда. Среди известных подходов к определению характеристик плазмы, резонансная оптическая абсорбционная спектроскопия (ROAS), также известная как атомно-абсорбционная спектроскопия (AAS) [24,25], представляет собой один из простых способов определения абсолютной плотности атомных и / или молекулярных частиц. в газовых разрядах.Используя этот метод, плотность поглотителей может быть определена с помощью внешнего (эталонного) источника света путем измерения ослабления в его интенсивности после прохождения объема с поглощающими частицами (см., Например, Mitchell and Zemansky [24], стр. 92 ). Наряду с лазерными методами диагностики плазмы, такими как лазерно-индуцированная флуоресценция (LIF), метод ROAS играет важную роль в изучении плазменных разрядов в течение последних десятилетий, включая когерентные (такие как диодные лазеры) [26– 28] и некогерентный (например,ж., лампы с полым катодом — HCL) [29–31] источники излучения. Спектр применения этого метода непрерывно расширяется, в частности, за счет усовершенствования перестраиваемых диодных лазерных систем, а именно их стабильности, уровня мощности, диапазона настройки и т. Д. [27,32].

В области магнетронного распыления разрядов определение плотности частиц разряда с помощью ROAS проводилось в различных системах, включая определение характеристик с разрешением по времени [33] и с разрешением по пространству [34].В частности, среди недавних достижений, работы различных исследовательских групп, посвященных абсолютной плотности распыленных атомов в разрядах DCMS [31,34,35], в том числе усиленные радиочастотной катушкой [30], а также работы следует упомянуть о измерениях потоков в DCMS [36]. Что связано с использованием ROAS в области HiPIMS, следует особо отметить работы по определению профиля линии поглощения с временным разрешением [33], которые были реализованы с помощью перестраиваемой диодной лазерной абсорбционной спектроскопии (TD-LAS).Кроме того, Вителару и др. Подробно исследовали временную эволюцию метастабильных состояний Ar 1s ₅ (Ar ^met) в длинноимпульсном (200 мкс) разряде HiPIMS. [26], где Ar ^{встретил рост плотности на}, с последующим его разрежением примерно через 50 мкс и постепенным последующим пополнением. Эти результаты в целом хорошо согласуются с недавними исследованиями HiPIMS с использованием методов LIF [37] и ROAS [38], которые частично рассматриваются здесь.Последние две работы ([37,38]) посвящены короткоимпульсным разрядам HiPIMS, изучающим распространение основного состояния и метастабильных распыленных частиц, и в основном нацелены на систематическую характеризацию разрядов HIPIMS с временным разрешением с точки зрения абсолютной плотности. видов, двухмерная визуализация основных атомных состояний, соответствующих исследуемым видам разряда (LIF + ROAS), а также изучение нескольких оптически доступных энергетических состояний разряда и их подуровней.

Объединяя последние достижения в области измерения абсолютной плотности для двух «крайних» случаев магнетронного распыления, а именно DCMS и HiPIMS, эта глава в основном сосредоточена на особенностях упомянутых распыляющих разрядов с точки зрения абсолютной плотности частиц. где резонансное поглощение используется в качестве основного метода диагностики. Метод резонансного поглощения, рассмотренный в этой главе, считается надежным инструментом для определения абсолютной плотности частиц в объеме разряда и понимания процессов распыления на атомном уровне.

2. Особенности резонансного поглощения

Основные принципы резонансного поглощения подробно описаны в работе Митчелла и Земанского [24]. Этот метод основан на резонансном поглощении излучения, испускаемого эталонным источником и поглощаемого (атомами или молекулами) в оптически тонком газовом разряде. На определенной спектральной линии абсолютная плотность состояний, соответствующая нижнему уровню выбранного спектрального перехода, может быть определена путем измерения так называемого линейного поглощения, т.е.например, интеграл по спектральной линии поглощения, представляющий интерес, если известны эффективные длины поглощения, а также ширина линии как плазменных, так и спектральных линий источника. Этот подход может быть применен для случая, когда спектральные линии в разряде ограничены доплеровским ограничением [31], а также может быть обобщен на более общие случаи [39]. Самым большим преимуществом метода ROAS является его ненавязчивость. В этом отношении этот метод отличается от других методов, используемых для определения плотности, которые основаны на введении дополнительных газов в разряд (таких как титрование [40]), которые потенциально могут изменить распределение электронов по энергии и кинетику разряда. .Кроме того, тот факт, что ROAS использует внешний источник излучения и не зависит от самого излучения разряда, имеет решающее значение для характеристики импульсных разрядов, таких как HiPIMS, особенно во время послесвечения, когда оптическая эмиссионная спектроскопия (OES) не может быть применена.

Как упоминалось выше, ROAS может быть реализован двумя различными способами, а именно, с использованием газового разряда, излучающего интересующие спектральные линии, а также с использованием монохроматического лазера (например, непрерывно перестраиваемого лазерного диода).Несмотря на то, что лазерная диагностика имеет ряд преимуществ [21,33], необходимо реализовать ROAS на основе разряда. Среди основных причин этого можно выделить следующие: (i) установка ROAS на основе разряда обычно дешевле, чем установка на основе перестраиваемого лазера; (ii) ROAS на основе разряда зависит от соотношения ширины линии между плазмой и опорным источником, что легко учесть [24]; (III) несколько спектральных переходы могут быть изучены параллельно в этом случае, насколько излучатели в опорном источнике совпадает с поглотителями, представляющим интересом, что невозможно с монохроматическим лазером; и (iv) в случае большого спектрального разделения (несколько нм) между интересующими линиями, лазерная абсорбционная установка требует отдельных лазерных диодов для каждого перехода, что включает дополнительные процедуры калибровки.Благодаря упомянутым преимуществам, например, абсолютная плотность на подуровнях энергии, соответствующих определенному электронному состоянию, может быть измерена прямым способом, просто отслеживая изменения в интенсивности излучения соответствующих пиков от эталонного источника, как это выполняется в многочисленных исследованиях [30,31,34,35,39]. Рассмотрим основные соотношения, необходимые для понимания метода ROAS.

2.1. Основы метода резонансного поглощения

В этой главе рассматривается классический метод ROAS, описанный Митчеллом и Земанским [24].В случае ограниченных по температуре линий излучения (поглощения) в эталонном источнике (и в исследуемом разряде) применение метода резонансного поглощения довольно прямолинейно, а подробности его реализации в магнетронных разрядах можно найти в [35]. , 38]. В этом разделе приведены только существенные соотношения, важные для понимания определения абсолютной плотности с использованием метода ROAS. Плотность поглощающих частиц в нижнем (часто основном) состоянии может быть определена с помощью следующего соотношения:

Nabs = 1.2⋅1012k0δσpfji, E1

, где Nabs (см ^–3) — абсолютная численность поглощающих частиц в нижнем состоянии, k0 (см ^–1) — коэффициент поглощения, соответствующий центру линии поглощения, δσp (см ^–1) — это полная ширина на полувысоте (FWHM) линии излучения плазмы, fji — сила осциллятора поглощения, а j (i) — нижний (верхний) уровень выбранного перехода, соответственно. fjic можно найти, используя соотношение [41]:

fji = 1.5⋅10−14gigjAijλij2, E2

где g — статистический вес соответствующего уровня энергии, Aij — вероятность излучения, соответствующая переходу i → j, а λij — длина волны перехода.

Коэффициент поглощения k0 в уравнении. (1) может быть определено на основании измерений линии поглощения AL, представляющей интеграл под профилем линии поглощения. В случае доплеровского уширения линий излучения источника и поглощения плазмы AL можно выразить следующим образом [34,39]:

AL = 2π∫0∞Exp (−x2) (1 − Exp (−k0L⋅Exp (−α2×2) ))) dx, E3

где L — эффективная длина поглощения (в нашем случае ~ 30 см), а α — отношение уширений линий эталонного источника к плазме.В Доплера ограниченных случае α2 = TS / TP, где TSand TPare абсолютные температуры газа в эталонного источника, так и в плазме, соответственно. AL обычно определяется экспериментально путем измерения интенсивности соответствующих эмиссионных линий:

AL = 1 — прошедшее излучение, падающее излучение = 1 — IPS — IPIS, E4

, где IS — интенсивность света от эталонного источника, IP — интенсивность света от плазмы, и IPS — это (частично поглощенный) свет от эталонного источника, проходящий через область поглощения, вместе со светом от плазмы, если таковой имеется.Физический смысл этих величин проиллюстрирован на рисунке 3.

Рисунок 3.

Схематическое изображение метода поглощения и физический смысл величин IP, IS и IPS.

После экспериментального определения линии поглощения AL согласно формуле. (4) коэффициент поглощения k0 может быть найден в результате решения уравнения (4). (3). Это приводит к прямому определению (согласно уравнению (1)) абсолютной плотности частиц, соответствующих нижнему атомному (молекулярному) состоянию выбранного спектрального перехода, если эффективная длина поглощения L, а также сила осциллятора fjiare известный.Решающую роль в определении коэффициента поглощения играет коэффициент α, представляющий коэффициент уширения спектральных линий, как поясняется ниже.

2.2. Роль спектрального уширения линии

Несколько важных замечаний по уширению линии плазмы и опорный источник спектральных линий должна быть сделана для правильной интерпретации данных рентабельности инвестиций в рекламе. Как упоминалось выше, в этой главе рассматривается ROAS, основанная на расходах, когда HCL в основном используется в качестве справочного источника.Поскольку давление газа в HCL обычно превышает несколько торр, а длина свободного пробега частиц газа находится в микрометровом диапазоне, можно предположить полную термализацию частиц. Температура в НСЛ в рассмотренных условиях, дополнительно измеренная планарным интерферометром Фабри – Перо высокого разрешения [42], находится в диапазоне около 700–1100 К (см. Табл. 1). Несмотря на значительно меньшее давление (~ 20–30 мТорр) в рассматриваемых здесь разрядах магнетрона (табл. 1), аналогичные соображения справедливы и для объемного газа атомов (Ar) в исследованных случаях DCMS и HiPIMS, которые можно рассматривать как квази -термализованный.В этом случае часто можно предположить, что температура Ar находится в диапазоне 300–500 К, в зависимости от типа разряда и его условий [21,30,35,43].

^–1 Торр

0,1 нм обычно

Параметр	Значение	Комментарий
Параметры системы DCMS
Целевое значение				9010% воды Ti Диаметр / толщина мишени	5 см / 0.5 см	10 см / 1 см для Рисунка 9
Рабочий газ	99,999% Ar
Рабочее давление	20 мТорр	30 мТорр для Рисунка 9
Базовое давление 9010 10 ^–6 Торр или менее
Усредненная по времени мощность	~ 200 Вт	500 Вт для Рисунка 9
Используемый монохроматор	Princeton Instrument SpectraPro-500i	Jobin-Yvon для Рисунка 9
Ширина щели монохроматора	10 мкм
Спектральное разрешение	0.05 нм
Используемый оптический детектор	Princeton Instrument PI-MAX ICCD	Фотоумножитель Hamamatsu R928
Параметры системы HiPIMS
			Охлаждение с водой Ti
Целевой диаметр / толщина	10 см / 1 см
Рабочий газ	99,999% Ar
Рабочее давление	20 мТорр
Базовое давление
Длительность / частота импульса	20 мкс / 1 кГц	Если не указано иное
Подаваемая энергия на импульс (при импульсе 20 мкс)	≈0.26 Дж	Соответствует ~ 260 Вт усредненной по времени мощности
Используемый монохроматор	Andor Shamrock 750
Ширина щели монокроматора	20–100 90 мкм	901 901 0,01 0,01 0,012 Spectral

Используемый оптический детектор	Andor iStar DH740-18F ICCD	С ~ 10 ^{3 усредненных} импульсов
Параметры резонансного поглощения
	Диаметр луча
Расстояние над целью, z	≈5 см	z = 0.0,10 см для Рисунка 8, z = 8 см для Рисунка 9.
Эффективная длина поглощения, L	30 см	Переменная для Рисунка 8, L = 25 см для Рисунка 9.
Ссылка тип источника	Лампы с полым катодом Ar-Ba и Ne-Ti
Длительность импульса эталонного источника	40–100 мкс	Непрерывный для Рисунка 8, 150 мкс для Рисунка 9.
Температура эталонного источника	≈1100 K (в импульсном режиме [38])	950 K для рисунка 8 [34], 630 K для рисунка 9 [54].
Температура плазмы DCMS	580 K (Рисунок 8), 300 K (Рисунок 9)
Температура плазмы HiPIMS (Ar)	≈ 500 K	На основе измерений OES [43]
Ширина линии плазменной линии HiPIMS (Ti)	≈5,5 ГГц	На основе измерений LIF [44]

Таблица 1.

Основные параметры разрядов DCMS и HiPIMS, описанных в данной работе и охарактеризованных методом резонансной спектроскопии оптического поглощения .

Однако уширение спектральных линий, соответствующих распыленным частицам , может отличаться от такового для объемного газа (Ar). В случае DCMS, несмотря на то, что распыленные частицы далеки от термализации, их функция распределения по скоростям (VDF) часто может быть аппроксимирована гауссовым профилем. Этот VDF не изменяется во времени по определению разряда DCMS [37] и часто может быть связан с температурой частиц в диапазоне 300-700 K для условий, описанных здесь (см. Таблицу 1).Из-за направленное движение распыленных частиц в плазме магнетрона, спектральной линия в направлении измерений (т.е. вдоль ROAS линии прямой видимости) может быть существенно расширено, по сравнению с одним из опорного источника. Эта ситуация схематично проиллюстрирована на рисунке 4. В этом случае резонансное поглощение произойдет только для части общей ширины линии, и необходимо ввести соотношение между упомянутыми уширениями (δσS / δσP), чтобы учесть это уширение. разница, как подробно описано Митчеллом и Земански [24].Подобный подход также следует использовать в случае, если в разряде преобладает недоплеровское уширение линии, как недавно исследовали Ли и др. [39].

Рис. 4.

Иллюстрация уширения спектральной линии (FWHM) линий эталонного источника (излучения) и плазмы (поглощения) вместе с обозначениями их уширения.

Иная ситуация обстоит с разрядами HiPIMS, которые далеки от термализации в плазме по времени, особенно в непосредственной близости от мишени [37,43].Распределение компоненты скорости, параллельной мишени (v ||), в этом случае часто отличается от распределения Максвелла – Больцмана (хотя оно все еще может быть приблизительно аппроксимировано гауссовым профилем [33]), а температура газа в классический смысл неприменим. По этой причине ширину линии VDF, соответствующую определенной компоненте скорости и определяющую ширину линии эмиссии (поглощения), следует определять отдельно. Динамика уширения линий в HiPIMS недавно была исследована LIF [44,45].Основываясь на этих работах, в условиях, описанных здесь (20 мТорр, z = 5 см), ширина VDF изменяется только примерно на 25%, что имеет довольно незначительное влияние на конечную плотность поглотителей, определяемую формулой. (1). В связи с этим ширина линии поглощения плазмы считается постоянной в течение всего периода разряда HiPIMS для простоты, как описано в [38,44] (см. Таблицу 1). Эти предположения дополнительно оправдываются тем фактом, что коэффициент поглощения k0, определенный на основании уравнения.(3) слабо зависит от ширины плазменной линии δσP.

2.3. Экспериментальная установка для резонансного поглощения

Типичная экспериментальная установка для определения характеристик разряда с магнетронным распылением с помощью резонансной спектроскопии показана на рисунке 5. Основные параметры, относящиеся к разрядам, рассматриваемым в этой работе, сведены в Таблицу 1. Как в случае DCMS, так и HiPIMS была использована цилиндрическая вакуумная камера с горизонтально или вертикально расположенным уравновешенным источником магнетронного распыления, удерживающим плоскую круглую магнетронную мишень.Используются мишени Ti-магнетрона диаметром 5 или 10 см, прикрепленные к медному основанию с водяным охлаждением, поддерживающему магнит. Коммерческие источники питания использовались для поддержания разряда DCMS, как описано в другом месте [30,34]. В случае HiPIMS разрядный ток и напряжение, а также параметры импульса контролировались лабораторным источником питания, описанным Ganciu et al. [46]. Разряд HiPIMS обычно имел длительность импульса 20 мкс и частоту повторения 1 кГц (таким образом, время отсутствия плазмы составляло 980 мкс).Типичные формы вольт-амперных сигналов можно найти в других источниках [43,44,47]. Базовое давление в магнетронном реакторе поддерживается на уровне <10 ^–6 Торр, тогда как давление в объеме газа (99,999% Ar) обычно фиксируется на уровне 20 мТорр во время всех измерений ROAS, если не указано иное. Чтобы избежать осаждения на поверхности кварцевого окна, перед каждым смотровым окном внутри реактора были установлены специальные коллиматоры (никелевые трубки) с высоким отношением длины к радиусу.

Рисунок 5.

Вид сверху (а) и сбоку (б) экспериментальной установки, используемой для измерения абсолютной плотности в магнетронном распыляющем разряде методом ROAS. Роль опорного источника играет полого катода лампы. Воспроизведено с разрешения Britun et al. [38]. Авторское право 2015 AIP Publishing.

Лампы с полым катодом Perkin Elmer (одна с катодом из Ti, заполненным Ne, а другая с катодом из Ba, заполненным Ar) использовались в качестве источников сравнения. HCL работали либо в непрерывном, либо в импульсном режиме (в основном в случае HiPIMS), чтобы увеличить интенсивность излучения и сделать его сопоставимым с излучением плазмы HiPIMS, с целью уменьшения погрешности измерений во время плазмы во времени [43, 48].Кроме того, импульсный режим источника HCL способствует ионизации материала катода внутри лампы, что критично для анализа состояний Ti ⁺ [30]. Во время измерений длительность импульса HCL обычно составляет от 40 до 100 мкс. Приблизительно 10 ³ импульсов от эталонного источника усреднены детектором во время измерения коэффициента поглощения. Последовательность импульсов HCL запускалась источником питания HiPIMS с использованием триггера на внешней транзисторно-транзисторной логике (TTL) и сдвигалась по времени относительно плазменного импульса HiPIMS с помощью дополнительного аналогового генератора импульсов TGP-110.

В некоторых случаях, когда плотность поглотителей в исследуемом разряде слишком мала, улучшенная схема обнаружения, включающая тройное оптоволокно и позволяющая одновременное получение сигналов IS, IP и IPS, может значительно повысить надежность полученных данные. Такая схема, показанная на рисунке 6, позволяет избежать нестабильности плазменного разряда и / или эталонного источника во время сбора данных (которое может длиться несколько минут), поскольку сигналы, необходимые для расчета линейного поглощения, принимаются одновременно в в этом случае, как описано Britun et al.[48]. Диагностическая установка в этом случае содержит эталонный источник излучения, многоканальное оптическое волокно, группу линз для коллимации пучка перед прохождением вакуумной камеры и монохроматор с оптическим детектором, как показано на рисунке 5 (а).

Рисунок 6.

Схема экспериментальной установки для измерения поглощения с повышенной надежностью с использованием одновременного сбора оптических сигналов плазмы и источников (IP, IS и IPS), необходимых для расчета линейного поглощения AL.

Монохроматор, оснащенный камерой с усиленным устройством с зарядовой связью (ICCD) и соединенный с разрядным реактором с помощью оптического волокна, в большинстве случаев использовался для сбора спектров. Спектральное разрешение монохроматора обычно составляло ≈0.05–0.1 нм. Типичные спектры излучения, полученные в разряде Ar-Ti HiPIMS в конце плазменного разряда по времени, представлены на рисунке 7. Из общего спектра излучения (рисунок 7 (а)) соответствующие спектральные области, содержащие линии излучения Ti и Ti ⁺. видны (рис. 7 (б – г)).Репрезентативные линии излучения, использованные в данной работе для резонансного поглощения, отмечены стрелками (см. Также Таблицу 2). В большинстве случаев исследуемые эмиссионные линии хорошо отделены от соседних пиков. В связи с этим для измерений ROAS обычно достаточно быстрого и довольно низкого спектрального разрешения. Полная процедура определения числовой плотности состояла из измерений интенсивности пиков излучения (значения IS, IP и IPS при каждом условии), определения значения AL по формуле. (4), определение коэффициента поглощения k0 в результате решения уравнения(3), с последующим расчетом абсолютной плотности поглотителей по формуле. (1).

Рис. 7.

Общий спектр излучения (а), полученный в разряде Ar-Ti HiPIMS, показывающий интересующие спектральные области, используемые для определения абсолютной плотности различных видов атомов. Спектральные области, соответствующие атомам основного состояния Ti (b), метастабильным элементам Ti (c), а также ионам Ti (d) показаны отдельно. Спектры HiPIMS и HCL (b – d) нормированы произвольно. Воспроизведено с разрешения Britun et al.[38]. Авторское право 2015 AIP Publishing.

Spectral параметр Исследовано атом	Природа зондируемого состояния	Энергия e103 зондируемого состояния	Длина волны излучения λ (нм)	Спектральный переход (нижний – верхний уровень, j – i)	Статистический вес нижнего уровня, gj	Сила осциллятора, 90 fji ^a
Ti	Земля	0.000 0,021 0,048	363,55 364,27 365,35	3 d ² 4 s ² a ³ F ₂ –3 d ² () 4 с 4 p (¹ P °) y ³ G ° ₃ 3 d ² 4 с ² a ³ F ₃ –3 d ² (³ F) 4 s 4 p (¹ P °) y ³ G ° ₄ 3 d ² 4 s ² a ³ F ₄ –3 d ² (³ F) 4 s 4 p (¹ P °) y ³ G ° ₅	5 7 9	0.20 0,16 0,14
Timet	Метастабильный	0,813 0,818 0,826 0,836 0,848	501,43 500,72 499,95 498,11 9000 3 900 000 498 11 F) 4 с a ⁵ F ₁ –3 d ³ (⁴ F) 4 p y ⁵ G ° ₂ 3 d ³ ( ⁴ F) 4 с a ⁵ F ₂ –3 d ³ (⁴ F) 4 p y ⁵ G ° ₃ 3 d ³ (⁴ F) 4 с a ⁵ F ₃ –3 d ³ (⁴ F) 4 p y ⁵ G ° ₄ 3 d ³ (⁴ F) 4 s a ⁵ F ₄ –3 d ³ (⁴ F) 4 p y ⁵ G ° ₅ 3 d ³ (⁴ F) 4 s a ⁵ F ₅ –3 d ³ (⁴ F) 4 p y ⁵ G ° ₆	3 5 7 9 11	0.38 0,26 0,22 0,17 0,22
Ti +	Заземление	0,000 0,012 0,028 0,049	338,38 337,28 334,98 337,28 336,94 F) 4 с a ⁴ F _3/2 –3 d ² (³ F) 4 p z ⁴ G ° _5/2 3 d ² (³ F) 4 s a ⁴ F _5/2 –3 d ² (³ F) 4 p z ⁴ G ° 7/2 3 d ² (³ F) 4 s a ⁴ F7 / 2–3 d ² (³ F) 4 p z ⁴ G ° 9 / 2 3 d ² (³ F) 4 s a ⁴ F9 / 2–3 d ² (³ F) 4 p z ⁴ G ° 11/2	4 6 8 10	0.28 0,25 0,26 0,27
Ti + met	Метастабильный	0,574 0,607	376,13 375,93	3 d ² 2 F _5/2 –3 d ² (³ F) 4 p z ² F ° _5/2 3 d ² (³ F) ) 4 с a ² F _7/2 –3 d ² (³ F) 4 p z ² F ° _7/2	6 8	0.22 0,21
Armet	Метастабильный	11,548 11,723	811,53 794,82	3 с ² 3 p 8 40007 5 ⁵ 3 p 8 40007 5 9 ) –3 p ⁵ 4 p (2 p ₉) b 3 s 23 p 54 s (1 s ₃) –3 p 54 p (2 p ₄) b	5 1	0.51 0,56

Таблица 2.

Спектральные параметры оптических переходов для Ti, Ti ^met, Ti ⁺ и Ar ^met атомных состояний, используемых в данной работе для диагностики ROAS. Спектроскопические данные взяты из онлайн-спектральной базы данных NIST [74], если не указано иное. Воспроизведено с разрешения Britun et al. [38]. Авторское право 2015 AIP Publishing.

^a Значения силы осциллятора взяты из Crintea et al.[75] для Ара, Визе и Фура [76] в противном случае.

^b Для уровней энергии Ar используются обозначения Пашена [75].

3. Поведение плотности частиц в разрядах DCMS

3.1. Пространственная характеристика разряда DCMS

Несмотря на то, что основные параметры плазмы разряда DCMS не меняются во времени, плотность плазмы, а также плотность распыленных частиц могут значительно изменяться в зависимости от пространственного положения в разряде.Первый параметр в этом случае определяет в основном уровень возбуждения объемных и распыленных частиц, а также степень их ионизации, тогда как плотность (основного состояния) распыленных частиц в основном зависит от приложенной мощности, производительности распыления, размера мишени, диффузии. процессами в разрядном объеме, а также другими процессами. Эффекты истощения плотности основного состояния также могут иметь место, как недавно было показано для разрядов DCMS LIF [49], но эти эффекты довольно незначительны, особенно по сравнению со случаем HiPIMS [37,38], поскольку степень ионизации в разрядах DCMS в целом остается на уровне нескольких процентов [15].

Оптическая диагностика, применяемая к разряду DCMS, четко визуализирует область плазмы, соответствующую удерживаемым электронам, которая представлена яркой областью около поверхности мишени, наблюдаемой невооруженным глазом, как показано на рисунке 8. Эта область четко соответствует пространственный сегмент, образованный магнитными линиями в непосредственной близости от цели, как показано на рисунке 8 (b), где нарисованы смоделированные линии магнитного поля магнетрона. Диаметр мишени в этом случае равен 5 см, но, тем не менее, полученные данные можно сравнить с типичной абсолютной плотностью, измеренной с более крупными мишенями (см. Таблицу 1), поскольку материалы мишени такие же и плотность тока известна. , за счет масштабируемости разрядов магнетрона [15].В дополнение к этому, как показали Britun et al. Согласно [34] эмиссионные линии в плазменной области экспоненциально затухают вдоль направления z , где экспоненциальная зависимость со значительно меньшим декрементом обнаруживается при более высоких z , что соответствует диффузионной области.

Рис. 8.

Фотография реального разряда DCMS, работающего при давлении аргона 4 мТорр (а), вместе с смоделированными силовыми линиями магнитного поля (b), а также распределение абсолютной плотности атомов основного состояния Ti и метастабильных Ti измерено ROAS как функция z при 30 мТорр давления Ar (c).Воспроизведено с разрешения Britun et al. [34]. Авторское право 2006 IOP Publishing.

Кроме того, плотность основного состояния распыленного Ti, а также метастаблей Ti, измеренная методом ROAS, следует тенденции, обнаруженной для эмиссионных линий Britun et al. [34], как показано на Рисунке 8 (c). Как видно, плотность нейтралов Ti достигает около 10 ¹² см ^–3 вблизи мишени в исследованных условиях (см. Таблицу 1), снижаясь примерно в 5 раз уже при z = 2 см, что составляет в основном за счет диффузии и угловых особенностей распыления [50].Метастабильные атомы Ti (уровень энергии около 0,8 эВ, см. Табл. 2) обнаруживают ту же тенденцию, имея общую плотность в 2–5 раз меньше. Представленные абсолютные значения плотности Ti хорошо согласуются с соответствующими измерениями, выполненными в DCMS в аналогичных условиях [31]. Следует отметить, что обнаруженные особенности пространственного распределения распыленных частиц в DCMS должны напоминать таковые для разрядов HiPIMS, поскольку топология магнитного поля и средняя мощность аналогичны.Однако в разряде HiPIMS дополнительные физические эффекты, такие как зависящее от времени уширение спектральных линий излучения [22] и поглощения [44], межполевой перенос ионов [15,51], уменьшение плотности, вызванное ионизацией, вблизи мишень [37], зависящие от времени изменения магнитного поля, вызванные током [52], и т. д., могут не позволить прямое сравнение между DCMS и HiPIMS разрядами с точки зрения абсолютной плотности частиц. Эти различия должны быть еще более существенными при увеличении плотности плазмы, т.е.е., плотность тока магнетрона, как кратко указано ниже.

3.2. Абсолютная плотность в реактивном разряде DCMS

Еще одна интересная возможность, которую предоставляет ROAS, — это визуализация и контроль физических процессов во время так называемого реактивного распыления. Этот процесс в основном известен для синтеза тонких пленок оксидов, нитридов и оксинитридов [21,53]. Реактивное распыление обычно включает стандартные источники магнетронного распыления, где определенный процент, например, молекулярного кислорода или азота, добавляется к основному газу (обычно Ar), чтобы окончательно синтезировать оксидные или нитридные соединения.Физически во время реактивного распыления происходит окисление (азотирование и др.) Поверхностного слоя катода, что часто называют «отравленным» режимом. Этот процесс характеризуется значительным падением плотности металлических частиц в разрядном объеме [54]. Помимо этого, эффект гистерезиса (с точки зрения напряжения разряда или плотности атомов металла) в зависимости от направления изменения содержания химически активного газа часто считается одной из основных характеристик реактивного распыления [15,55–57].

Пример измерения абсолютной числовой плотности атомов Ti, распыленных в разряде DCMS на расстоянии z = 8 см от мишени с использованием резонансного поглощения, приведен на рисунке 9. В этом случае в объемный газ добавлен молекулярный азот. корпус для синтеза нитридных пленок, как подробно описано в [54]. Как мы видим, в результате добавления азота можно обнаружить явное падение плотности атомов металла (Ti). Из-за отравления мишени плотность распыленного Ti падает примерно в 4 раза, когда содержание азота в разряде превышает ≈5%.Относительная плотность ионов Ti в этом случае измеряется с помощью масс-спектрометрии, демонстрируя тот же эффект. Основываясь на этом примере, мы можем сделать вывод, что измерения (в реальном времени) абсолютной плотности с помощью абсорбционной спектроскопии, в отличие от хорошо известного метода мониторинга эмиссии плазмы [58], могут иметь дополнительные преимущества для реактивного распыления, поскольку эмиссия всегда определяется электронным возбуждением и может быть слабым на больших расстояниях от мишени. Кроме того, пространственная селективность ROAS также может быть лучше, чем у OES, так как коллимированный луч, используемый в данном случае, может быть весьма тонким и фокусируется, особенно если лазер используется в качестве опорного источника [27].

Рис. 9.

Эволюция абсолютной плотности основного состояния Ti, измеренная ROAS (закрашенные квадраты), и относительной плотности Ti +, полученной масс-спектрометрией (белые квадраты) в реактивном разряде DCMS, в зависимости от содержания азота. Давление аргона = 30 мТорр, приложенная мощность = 500 Вт, z = 8 см. Воспроизведено с разрешения Konstantinidis et al. [54]. Авторское право 2005 г., издательство Elsevier Publishing.

4. Динамика плотности частиц в разрядах HiPIMS

Разряды HiPIMS с очень короткой по времени плазмой, как показано на рисунке 2, демонстрируют физику, отличную от известной для разрядов DCMS.Основная причина этого — значительно повышенная плотность плазмы, а также степень ионизации, связанная как с объемным газом, так и с распыленными частицами в HiPIMS, как упоминалось во Введении и анализировалось в многочисленных работах. Несмотря на то, что процессы распыления DCMS и HiPIMS могут быть реализованы с использованием одного и того же магнетронного источника, прямое сравнение этих разрядов довольно затруднительно, особенно при высоких значениях пиковой мощности, подаваемой на HiPIMS (или плотности катодного тока), хотя усредненный по времени уровень приложенной мощности может быть таким же.В этом разделе, чтобы проиллюстрировать динамику разряда HiPIMS с точки зрения абсолютной плотности частиц, представлена временная эволюция основных частиц разряда в короткоимпульсном разряде HiPIMS на основе Ar-Ti, анализируемая методом ROAS. Детали экспериментов по системе HiPIMS, используемой для диагностики, перечислены в таблице 1, тогда как соответствующие спектроскопические данные доступны в таблице 2 или могут быть найдены в другом месте [31,38].

4.1. Эволюция плотности частиц с временным разрешением в HiPIMS

Эволюция с временным разрешением абсолютных плотностей атомов Ti и Ti ⁺, распыленных в импульсном разряде Ar-Ti HiPIMS длительностью 20 мкс, измеренная при z = 5 см выше цель показана на рисунке 10.Полная плотность в этом случае представляет собой сумму населенностей соответствующих подуровней основного состояния (см. Таблицу 2). Как видно из этого рисунка, после небольшого уменьшения плотности (истощения) в плазме во времени, плотность Ti достигает максимума при временной задержке ∆ t ≈ 100 мкс и достигает значения примерно 6 × 10 ¹¹ см ^–3. В этом случае плотность числа оказывается пропорциональной длительности импульса, поскольку остальные параметры разряда такие же, что должно быть связано с изменением энергии импульса (0.13 против 0,26 Дж). Эффект длительности импульса также действителен для ионов Ti в HiPIMS (не показаны). Уменьшение плотности Ti в конце плазмы во времени (примерно вдвое), вероятно, связано с VDF-уширением распыленных частиц за это время, которым пренебрегли при расчете плотности, как объяснено в [38]. В этом случае увеличение ширины VDF в плазме во времени, наблюдаемое Palmucci et al. [44] приводит только к ~ 20% общего падения плотности, что меньше, чем истощение, видимое на рисунке 10 (а) для Ti.Это подразумевает наличие дополнительных факторов, ответственных за снижение плотности, таких как ионизация распыленных частиц, как это обсуждалось Britun et al. [37]. Количественная оценка различных вкладов в этом случае практически невозможна, в первую очередь из-за сильного излучения плазмы в этом временном интервале, что приводит к сильному отклонению полученных данных. Полоса ошибок, показанная на рисунке 7 (а), представляет собой стандартное отклонение точек данных, соответствующих нескольким независимым измерениям ROAS, тогда как данные плотности соответствуют значениям, усредненным по нескольким измерениям, а также по трем подуровням энергии основного состояния Ti, перечисленным в Таблица 1.

Рис. 10.

Эволюция с временным разрешением числовой плотности Ti (a) и Ti + (b) в разряде Ar-Ti HiPIMS, измеренная методом ROAS. Временные интервалы A и B соответствуют истощению плотности и текущей самоорганизации соответственно. Было проведено шесть независимых измерений в случае Ti +, непрерывно показывающих нестабильность плотности в интервале B. Давление Ar = 20 мТорр, z = 5 см. Воспроизведено с разрешения Britun et al. [38]. Авторское право 2015 AIP Publishing.

Эволюция плотности ионов Ti, показанная на рисунке 10 (b), выявляет аналогичные тенденции, особенно во время выключения плазмы, когда плотность имеет максимум при 100–200 мкс, достигая ~ 3 × 10 ¹¹ см ^{— 3}. Во время включения плазмы можно наблюдать два явления: первое — это начало интервала обеднения плотности, аналогичного тому, что было обнаружено для нейтралов Ti (так называемый интервал A), и второе, которое характеризуется сильной нестабильностью измеренная плотность Ti ⁺ в конце плазмы по времени, напоминающая поведение стохастической плотности (так называемый интервал B).Обратите внимание, что шесть независимых измерений плотности, выполненных в плазме во времени, всегда приводят к различной эволюции плотности Ti ⁺. Поскольку ионизация Ti, вероятно, определяется электронами, присутствующими в разрядном объеме в это время (Ti + e → Ti ++ 2e), последнее явление, вероятно, связано с самоорганизацией разрядного тока в конце плазмы во времени, что приводит к непериодическому вращению зон возбуждения («спиц») вдоль целевой области гоночной трассы, как сообщили Козырев и др.[59] и изучены другими группами [60–62]. По-видимому, погрешности измерения плотности Ti ⁺ на интервале B сохраняются даже после усреднения сигнала детектором ICCD по 10 ³ импульсам. Это подразумевает наличие дополнительных факторов, ответственных за сильную неопределенность плотности Ti ⁺, таких как высокое отношение пиков излучения плазмы к источнику в конце плазмы по времени. Действительно, сильное преобладание интенсивности излучения плазмы над излучением эталонного источника резко снижает стабильность измерений ROAS.В нашем случае типичная интенсивность излучения плазмы может превышать интенсивность излучения эталонного источника примерно в 100 раз для ионов Ti и примерно в 30 раз для нейтральных частиц Ti, как показано на рисунке 11. Как следует из недавнего анализа, проведенного Автор: Britun et al. [48], относительная погрешность измерения ROAS в этом случае может легко превышать 100%, даже если относительная погрешность измерения интенсивности излучения составляет всего около 5% (типично для детекторов ICCD), что может объяснить нестабильности, наблюдаемые во время HiPIMS вовремя для ионов.Из-за упомянутой нестабильности параметры плазмы, такие как степень ионизации Ti, которая может быть определена для Ti как

(где [X] обозначает абсолютную числовую плотность частицы X), довольно сложно определить в течение интервала B. Однако во время выключения плазмы η достигает уровня около 0,4, что типично для времени выключения HiPIMS [63] с учетом довольно низкой энергии импульса, использованной в данной работе ( E _P = 0,26 Дж).

Рисунок 11.

Типичный пример изменения во времени интенсивности линий излучения Ti + (a) и Ti (b) в разряде Ar-Ti HiPIMS по сравнению с интенсивностью тех же линий излучения в эталонном источнике (HCL), показывающий резкое увеличение интенсивности излучения в конце импульса HiPIMS.Давление аргона = 20 мТорр, z ~ 1 см.

Рис. 12.

Сводка изменения во времени абсолютной плотности, соответствующей основным разрядам в разряде Ar-Ti HiPIMS, измеренная методом ROAS. Указаны три основных временных интервала, соответствующих распространению вторичной электронной волны, разрежению и заполнению. Давление аргона = 20 мТорр, z = 5 см. Воспроизведено с разрешения Britun et al. [21] (Copyright 2014 IOP Publishing) и Britun et al. [22] (Copyright 2015 WILEY-VCH Publishing).

Сводка временной эволюции нескольких видов атомов, изученных в разряде HiPIMS Ar-Ti длительностью 20 мкс при z = 5 см, приведена на рисунке 12. На этом рисунке можно выделить основные стадии разряда HiPIMS. Во-первых, после зажигания разряда происходит возбуждение атомов Ar и Ti, оставшихся от предыдущего плазменного импульса, в результате распространения вторичных электронов от катода. Фоновая плотность Ti составляет ~ 2 × 10 ¹¹ см ^–3, тогда как плотность метастабильных Ti значительно ниже (~ 10 ¹⁰ см ^–3) для рассматриваемых условий.Распространение горячих электронов [64,65] приводит к образованию метастабильных состояний Ar и Ti (Ar ^met, Ti ^met), а также к интенсивной ионизации Ti в плазме в момент начала плазмы. время выключения, которое сопровождается инверсией населенностей энергетических подуровней Ti, как обсуждается ниже. В начале периода выключения плазмы плотность ионов металлов увеличивается (красные треугольники на рисунке 12), что соответствует их переносу к объему, проанализированному ROAS.Во-вторых, также видно уменьшение плотности Ti в конце плазмы по времени. Это истощение может быть вызвано VDF-уширением нейтралов Ti в конце плазменного импульса [44]. Помимо этого, сильная ионизация распыленных нейтралов в этой области также должна способствовать наблюдаемому обеднению плотности [37,38]. В-третьих, сильное возбуждение и ионизация над мишенью сопровождаются разрежением объемного газа, в результате которого распыленные частицы Ti поступают в исследуемый объем, что четко наблюдается вместе с уменьшением плотности Ar ^met, а также подтверждается по недавним результатам двухмерного картирования плотности [37].Этот процесс должен сопровождаться электронным охлаждением в результате столкновений с падающими тяжелыми частицами [64]. Ионизация распыленного Ti происходит в тот же интервал времени (20–100 мкс), предположительно, в результате прямого электронного удара (Ti + e → Ti ++ 2e). Роль пеннинговской ионизации Ti (Ti + Armet → Ti ++ Ar + e) в этом случае предполагается незначительной из-за гораздо более высокого измеренного увеличения плотности Ti + (Δ [Ti ⁺] ≈2 × 10 ¹¹ см ^–3) по сравнению с небольшим уменьшением плотности Ar ^met (Δ [Ar ^met] ≈2 × 10 ¹⁰ см ^–3) за это время.Наконец, в дополнение к разрежению газа над мишенью, тушение метастабильных состояний Ti и Ar распыленным Ti также должно вносить вклад в наблюдаемое уменьшение плотности Ti ^до и Ar ^до в течение периода от 50 до 200 лет. Временной интервал мкс. После этого (при Δ t > 200 мкс) наблюдается пополнение аргоном в этой области, что согласуется с оценкой времени пополнения аргона в связанных работах [26,66]. Плотности основного состояния Ti и Ti ⁺ постепенно уменьшаются в течение этого времени, в основном из-за диффузии этих частиц.Описанные процессы сведены в Таблицу 3, в которой приведены основные кинетические реакции и возможные причины наблюдаемых процессов.

9129 Электроны

км / с

3 Ar ^{соответствует}

Время	Частица	Процессы	Основная реакция (с)	Свидетельство
Генерация
Ar	Ионизация + ускорение к катоду	Ar + e → Ar ++ 2e	Сопутствующие работы [15]
Ti	Имеют свой «фоновый» уровень плотности , оставшиеся от предыдущего плазменного импульса.
Ti ^met
Ti ⁺
5–20 мкс	Электроны	Электронная волна Распространение (вторичные горячие электроны км / с)		Данные изображений LIF [37], Измерения зонда Ленгмюра [77]
	Ar ^met	Generation byesec	Ar + e → Armet + e	Данные изображений LIF [37]
		Расширение VDF и сильная ионизация, приводящие к снижению плотности		Данные визуализации LIF [37], измеренная ширина VDF [44]
	Ti ^met	Generation byesec	Ti + e → Timet + e	Присутствие Ar ^{встретилось} в течение этого интервала [37]
	Ti ⁺	Генерация byesec (?)	Ti + e → Ti ++ 2e	Не видно, вероятно, из-за тока разряда t нестабильности [59,60]
20–50 мкс	Электроны	Электронная волна (постепенное охлаждение)		Данные визуализации LIF [37], инверсия населенностей подуровней [67] (Рисунки 13 и 14).
	Ar ^{соответствует}	1. Насыщение, разрежение 2. Закалка поступающими нейтралами Ti	2. Armet + Ti → Ar + Ti	1. Уменьшение [Ar ^{соответствует}], Связанные исследования [ 15,26] 2. Данные визуализации LIF [37]
	Ti	1. Распространение распыленного Ti 2. Релаксация Ti VDF		1. Данные визуализации LIF [37] 2. Связанные исследования [44,45]
	Ti ^met	Следите за ростом [Ti]	Ti + e → Timet + e	Та же скорость роста для Ti и Ti ^{соответствует} (Рисунок 12)
	Ti ⁺	Поколение (после волны Ti)	1.Ti + e → Ti ++ 2e 2. Armet + Ti → Ti ++ Ar + e (ионизация по Пеннингу)	1. Более быстрый рост [Ti ⁺] и более медленный рост [Ti] одновременно 2. Пренебрежимо малое из-за очень небольшого падения [Ar ^с] (Рис. 12)
50–200 мкс	Электроны	Термализация	X + ehot → X + ecold, , где X в основном Ti	Потеря инверсии подуровневых популяций (Рисунок 14), данные зонда Ленгмюра [64,65], моделирование [78]
	Ar ^met	Rarefication		Рисунок 12
	Ti	Диффузия		Постепенное уменьшение [Ti] (рис. 12)
	Ti ^met	Закалка, диффузия	Timet + X → Ti + X, где X — тяжелая частица	Постоянное падение плотности, а также падение соотношения [Ti ^и] / [Ti] (Рис. 12)
	Ti ⁺	Насыщение по плотности (баланс производственных и убытков)		Рисунок 12
200–1000 мкс	Электроны	Термализованный		Сопутствующие работы [64,65,7812
	Заправка		Увеличение [Ar ^{соответствует}], оценка времени заправки [26,66]
	Ti	Продолжающаяся диффузия		Постепенное уменьшение [Ti] 12 )
	Ti ^met	Достижение фонового уровня [Ti ^met] ~ 10 ¹⁰ см ^–3.		Рисунок 12
	Ti ⁺	Незначительное падение после 600 мкс, может быть связано с:	1.X ++ Ar + e → X + Armet 2.X ++ e → X где X = Ar, Ti	1. [Ti ⁺] падение + [Ar ^{соответствует}] увеличение 2. [Ti ⁺] падение (Рисунок 12)

Таблица 3.

Сводка процессы, связанные с эволюцией абсолютной плотности частиц разряда, измеренные методом ROAS в разряде Ar-Ti HiPIMS длительностью 20 мкс (см. рисунок 12).Частично воспроизведено с разрешения Britun et al. [38]. Авторское право 2015 AIP Publishing.

4.2. Инверсия населенностей энергетических подуровней

Интересный эффект может наблюдаться, если измеренная плотность представлена отдельно для каждого энергетического подуровня в исследуемом электронном состоянии, как показано на рисунке 13. Как можно заметить, явная инверсия между изученными энергетическими состояниями достигается для пяти подуровней Ti, соответствующих метастабильным состояниям Ti a ⁵ F _J (см. таблицу 2).Инверсия рассматриваемых энергетических подуровней (т. Е. Когда обнаруживается, что населенность состояния, соответствующего более высокой энергии, выше), происходит на рисунке 13 (а) в течение интервала времени от 20 до 100 мкс. Максимум указанной инверсии для случая Ti ^и находится в районе Δ t ≈60 мкс. Аналогичный, но гораздо более слабый эффект для метастаблей Ar (рассматриваются только два уровня) также виден на рисунке 13 (b).

Рис. 13.

Эволюция числовой плотности с временным разрешением для метастабильных атомов Ti (a) и Ar (b), измеренная методом ROAS в Ar-Ti HiPIMS, показывающая заселенности соответствующих энергетических подуровней (см. Таблицу 2).Общая эволюция плотности представлена для сравнения серыми линиями. Давление аргона = 20 мТорр, z = 5 см. Воспроизведено с разрешения Britun et al. [38]. Авторское право 2015 AIP Publishing.

Несмотря на то, что эффект инверсии является довольно новым для HiPIMS, он хорошо известен для других низкотемпературных разрядов, таких как титановая плазма с полым катодом [67] и разряд DCMS с высокочастотным усилением [30]. В первом случае это объясняется (частичным) равновесием тяжелых частиц разряда с энергичными электронами во время короткой плазмы на временном интервале.Помимо этого, инверсия населенностей подуровней также может быть ответственна за кажущееся снижение плотности в окрестности магнетронной мишени, обнаруженное в разрядах DCMS [30,49,68,69]. Инверсию подуровней можно объяснить на основе распределения Больцмана соответствующих населенностей подуровней энергии. Предполагая наличие плотного потока горячих электронов в течение определенного времени в разряде, тяжелые частицы должны интенсивно возбуждаться электронами в течение этого времени.В этих условиях для близких энергетических подуровней фактором ΔE / kT в распределении Больцмана можно пренебречь из-за достаточно высокой эффективной (возбуждающей) температуры вовлеченных частиц. В конечном итоге это должно привести к пропорциональности между совокупностью уровня Ni и ее статистическим весом gi, как показано следующими выражениями:

Nigi = Njgj⋅Exp (- Ei − EjkTexc) ≡ Njgj⋅Exp (- ΔEkTexc) E6

, где i (верхний ) и j (нижний) обозначают два близких уровня, Ni, j — населенности уровней, gi, j- — их статистические веса, ΔE — разность энергий между двумя уровнями, и Texcis — температура возбуждения.При ΔE≪kTexc получаем:

Nigi≈Njgj (1 − ΔEkTexc) ≈Njgj

Методы магнетронной связи

МЕТОДЫ СОЕДИНЕНИЯ. — Энергия (RF) может быть снята с магнетрона с помощью
МУФТА. На частотах ниже 10000 мегагерц петля связи образована
загибание внутреннего проводника коаксиального кабеля в петлю. Затем петля припаивается к
конец внешнего проводника так, чтобы он выступал в полость, как показано на рисунке
2-35, вид (А).Расположение петли в конце полости, как показано на виде (B), вызывает
магнетрон, чтобы получить достаточный звукосниматель на более высоких частотах.

Рисунок 2-35A. — Методы магнетронной связи.

Рисунок 2-35B. — Методы магнетронной связи.

МЕТОД ПЕТЛИ СЕГМЕНТНОЙ ФЕДЕРАЦИИ показан на виде (C) рисунка 2-35. Петля перехватывает
магнитные линии, проходящие между полостями.МЕТОД ЛЕНТОЧНОЙ ПЕТЛИ (вид (D),
перехватывает энергию между ремешком и сегментом. Со стороны выхода коаксиальный
линия питает другую коаксиальную линию напрямую или питает волновод через штуцер. В
вакуумное уплотнение на внутреннем проводнике помогает поддерживать линию. ОТВЕРСТИЕ, ИЛИ ПЛОТ, МУФТА
показано на виде (E). Энергия подводится непосредственно к волноводу через диафрагму.

Рисунок 2-35C. — Методы магнетронной связи.

Рисунок 2-35D.- Методы магнетронной связи.

Рисунок 2-35E. — Методы магнетронной связи.

МАГНИТРОННЫЙ ТЮНИНГ. — Настраиваемый магнетрон позволяет системе работать на
точная частота в любом месте диапазона частот, определяемая магнетроном
характеристики.

Резонансная частота магнетрона может быть изменена путем изменения индуктивности или
емкость резонансных полостей.На рис. 2-36 показан индуктивный настраивающий элемент.
вставляется в отверстие в полостях с отверстиями и пазами. Он изменяет индуктивность
резонансных контуров путем изменения отношения площади поверхности к объему полости в
сильноточный регион. Тип тюнера, показанный на рисунке 2-36, называется ЗВЕЗДОЧКОЙ.
ТЮНЕР или ТЮНЕР CROWN-OF-THORNS. Все его элементы настройки прикреплены к раме, которая
устанавливается с помощью гибкого сильфона. Вставка элементов настройки в
каждое отверстие анода уменьшает индуктивность полости и, следовательно, увеличивает
резонансная частота.Одним из ограничений индуктивной настройки является то, что она снижает
разгружает Q полостей и, следовательно, снижает эффективность трубки.

Рисунок 2-36. — Индуктивная настройка магнетрона.

Вставка элемента (кольца) в паз полости, как показано на рисунке 2-37,
увеличивает емкость слота и уменьшает резонансную частоту. Потому что разрыв
сужение по ширине снижает напряжение пробоя.Поэтому емкостно настроенный
магнетроны должны работать при низких напряжениях и малой мощности. Тип
емкостной тюнер, показанный на рисунке 2-37, называется ТЮНЕРОМ ДЛЯ ПЕЧЕНЬЯ. Это состоит
металлического кольца, вставленного между двумя кольцами двухзавязного магнетрона, который
служит для увеличения емкости планки. Из-за механического пробоя и напряжения
проблемы, связанные с тюнером для формочки для печенья, он больше подходит для более длительного использования
длины волн.Описанные тюнеры емкости и индуктивности симметричны; что
То есть на каждую полость воздействуют одинаково, и сохраняется режим пи.

Рисунок 2-37. — Настройка емкостного магнетрона.

10-процентный частотный диапазон может быть получен любым из двух методов настройки.
описано выше. Кроме того, два метода настройки могут использоваться в комбинации, чтобы охватить более крупный
диапазон настройки, чем это возможно с одним из них.

ДУГА В МАГНИТРОНАХ. — Во время начальной эксплуатации мощный магнетрон дуги от
катод к пластине и должен быть должным образом ПРОКЛОМЕН или ПРОПЕЧЕН. На самом деле, дуга в
магнетроны очень распространены. Это происходит с новой трубкой или после длительных периодов
праздность.

Одной из основных причин возникновения дуги является выделение газа из трубчатых элементов во время холостого хода.
периоды. Искрение также может быть вызвано наличием острых поверхностей внутри трубки, режим
переключение и потребление чрезмерного тока.Катод выдерживает значительные
горение дуги в течение коротких периодов времени, продолжающееся искрение сокращает срок службы магнетрона
и может полностью его уничтожить. Поэтому каждый раз, когда возникает чрезмерная дуга, трубка должна
запекаться снова, пока искрение не прекратится и трубка не стабилизируется.

Процедура запекания относительно проста. Напряжение магнетрона повышено с низкого
значение, пока дуга не возникнет несколько раз в секунду. Напряжение остается на этом значении до тех пор, пока
дуга гаснет.Затем напряжение повышается до тех пор, пока снова не возникает дуга, и остается
при этом значении, пока искрение снова не исчезнет. Всякий раз, когда дуга становится очень сильной и
напоминает непрерывную дугу, приложенное напряжение чрезмерно и должно быть уменьшено до
позвольте магнетрону восстановиться. Когда достигается нормальное номинальное напряжение и магнетрон
остается стабильным при номинальном токе, приработка завершена. Хорошее обслуживание
на практике магнетроны, оставшиеся простаивающими в оборудовании или используемые в качестве запасных, когда
накопились длительные периоды простоя.

Предшествующая информация носит общий характер. Рекомендуемое время и процедуры в
при выпечке определенного вида необходимо соблюдать технические инструкции по оборудованию.
магнетрон.

Усилитель с перекрещенными полями (Амплитрон)

УСИЛИТЕЛЬ ПОПЕРЕЧНОГО ПОЛЯ (cfa), широко известный как АМПЛИТРОН, а иногда и
называемый PLATINOTRON, это широкополосный микроволновый усилитель, который также может использоваться как
осциллятор.CFA аналогичен магнетрону и может
обеспечение относительно большого количества энергии с высокой эффективностью. Пропускная способность
cfa в любой момент составляет примерно плюс-минус 5 процентов от номинального центра
частота. Любые входящие сигналы в этой полосе пропускания усиливаются. Пиковые уровни мощности
много мегаватт и средний уровень мощности в десятки киловатт, с эффективностью
номинальные значения, превышающие 70 процентов, возможны с усилителями со скрещенными полями.

Из-за желаемых характеристик широкой полосы пропускания, высокой эффективности и
способность обрабатывать большие объемы энергии, cfa используется во многих приложениях в
микроволновые электронные системы. Такая высокая эффективность сделала cfa полезным для
приложений космической телеметрии, а высокая мощность и стабильность сделали его полезным в
высокоэнергетические линейные атомные ускорители. При использовании в качестве промежуточного или конечного этапа в
в мощных радиолокационных системах используются все преимущества cfa.

Поскольку cfa работает так же, как магнетрон, детальная теория
не представлены в этом модуле. Подробная информация о работе cfa доступна в
НАВШИПС 0967-443-2230, Обращение, установка и эксплуатация пересеченного поля
Усилители . Как упоминалось ранее, усилители со скрещенными полями обычно называют
Амплитроны. Однако следует отметить, что Amplitron является товарным знаком компании Raytheon.
Компания-производитель линейки усилителей со скрещенными полями Raytheon.Иллюстрация
усилителя со скрещенными полями показан на рисунке 2-38.

Рисунок 2-38. — Усилитель с перекрещенными полями (Амплитрон).

Q.44 Почему режим «пи» является наиболее часто используемым режимом работы магнетрона?
Q.45 Какие два метода используются для передачи энергии в магнетрон и из него?
Q.46 Настройка магнетрона путем изменения отношения поверхности к объему дырочной части
дырочно-щелевой резонатор какой тип настройки?
В.47 Емкостная настройка путем вставки кольца в паз резонатора магнетрона.
осуществляется с помощью какого типа механизма настройки?

Импульсное магнетронное напыление постоянного тока | Процесс распыления постоянным током

В импульсном процессе магнетронного распыления постоянного тока путем ускорения положительных ионов по направлению к материалу мишени (который имеет отрицательный потенциал) и столкновения с его поверхностью из-за отсутствия электропроводности поверхности для перемещения заряда положительный заряд накапливается на поверхности целевого материала.Из-за этого явления тенденция положительных ионов перемещаться к материалу мишени снижается, и процесс распыления не функционирует должным образом.

В процессе распыления диэлектрического материала при постоянном токе внутренняя стенка вакуумной камеры также покрывается непроводящим материалом и улавливает электрический заряд. Это явление, называемое исчезающим анодом, заставляет электрические заряды наклоняться к этому непроводящему слою.Из-за этого явления в процессе осаждения образуются мини- и макродуги, в результате чего атомы неравномерно удаляются из мишени; эти частицы включаются в осажденные пленки. Для строительства высокотехнологичных систем требуются тонкие пленки с приемлемой однородностью; неоднородность нанесенной тонкой пленки приводит к разрушению тонких пленок. Помимо вышеперечисленного, дуги могут повредить блок питания.

Блоки питания

ВЧ были предложены для того, чтобы избежать проблем, связанных с распылением диэлектрических материалов постоянным током.Источник питания 13,56 МГц подается на целевой материал, но для передачи максимальной мощности необходимо использовать коробку согласования импеданса. В этом механизме материал мишени и держатель подложки действуют как два электрода. При подаче питания электроны колеблются с приложенной частотой между двумя электродами. Поскольку подвижность ионов ниже, чем подвижность электронов, ионы остаются в центре двух электродов. В положительном полупериоде материал мишени действует как анод и поглощает электроны с одной стороны, но из-за низкой подвижности ионов отрицательный электрод не поглощает большую часть положительного заряда, и то же самое верно для отрицательного полупериод.В результате оба электрода заряжаются отрицательно относительно плазмы. Это отрицательное смещение заставляет материал мишени не поглощать электроны в положительном полупериоде, и только в отрицательном полупериоде он имеет тенденцию поглощать положительные ионы для нейтрализации отрицательного заряда на поверхности. В этот момент мишень имеет отрицательное смещение постоянного тока, притягивающее ионы технологического газа и приводящее к распылению и осаждению материала мишени. Если электроды симметричны, процесс будет полностью симметричным, и ни один из двух электродов не будет иметь отрицательного смещения относительно друг друга.Чтобы удалить атомы с поверхности материала мишени и нанести их на подложку, материал мишени должен быть точкой мишени для положительных ионов, поэтому размер электродов (материал мишени и подложка) рассматривается по-разному. Поскольку в этом методе распыления мощность разделяется между двумя электродами, эффективная мощность на уровне материала мишени составляет 50% от приложенной мощности при разбрызгивании методом постоянного тока. В результате скорость ВЧ-распыления ниже, чем для постоянного.Кроме того, из-за высокой стоимости источников питания ВЧ и их блока согласования импеданса, а также их сложности использование ВЧ распыления не очень популярно.

Использование импульсного источника питания постоянного тока — это стратегия, которая заменила использование источников питания RF. При импульсном разбрызгивании мощность прикладывается к материалу мишени для τ _на. В это время, называемое «время включения», к материалу мишени прикладывается отрицательное напряжение в несколько сотен вольт, и в конце этого времени напряжение переключается на положительную полярность с меньшей амплитудой (около 20 вольт).Приложенное напряжение остается на этом уровне в течение _от, называемого «время выключения». Это также называется «обратным временем» (τ _об.) из-за инверсии полярности приложенного напряжения в интервале «время отключения». Поверхность диэлектрического материала, которая заряжается во время «работы», разряжается во время «неактивного» периода. Продолжительность «времени включения» должна быть достаточно короткой, чтобы нагрузки на поверхности не могли вызвать дуги в этот интервал времени, и, с другой стороны, «время простоя» должно быть достаточно длительным, чтобы отсортированные заряды на поверхности полностью исчезли. разряжается во время «включения», чтобы избежать накопления заряда в последовательных циклах «включения» и «обратного хода».Обычно интервал «времени выключения» составляет 1/10 интервала «времени включения». Кроме того, продолжительность включения и обратного времени определяет самую низкую частоту импульсов (f c = 1 / τ _цикл ) , известную как критическая частота, f c, и самый высокий рабочий цикл для бездугового импульсного реактивного напыления на постоянном токе. Pulse DC Sputtering Источники питания работают в режиме постоянного тока. Таким образом, при возврате к отрицательному импульсу первоначально высокое напряжение быстро ускоряет ионы к цели и восстанавливает ток и скорость осаждения.В противном случае току потребуется короткое время для нарастания и падения импеданса плазмы, который был немного увеличен во время положительного импульса. Время, необходимое для образования и стабилизации плазмы, зависит от множества факторов, в том числе от длительности импульса, частоты импульсов, мощности и давления. В импульсах меньшей длины и большей частоты преобладает фаза наращивания плазмы, и импульсный импульс магнетронного распыления будет работать в режиме напряжения. При более длительных импульсах и более низких частотах преобладает стационарная плазменная фаза и импульсный магнетрон работает в токовом режиме.

В октябре 2001 года был представлен метод под названием высокомощное импульсное магнетронное распыление (HPIMS), получивший патентную награду США. Было показано, что использование большой мощности (в 100 раз превышающей обычную мощность) приводит к высокому процентному содержанию ионов. Эти ионы возникают не только в результате ионизации газа, но и при такой мощности ионизируются разбрызгиваемые материалы. Результатом этой плазмы с высокой ионизацией было равномерное осаждение пленки на подложке. Используемые импульсы составляли от 0,1 кВт до 1 МВт с пиковым напряжением 0.От 5 кВ до 5 кВ. Импульсы имели длительность менее 1 мс и возникали с интервалом от 10 мс до 1000 с.

Этот метод напыления имеет много преимуществ перед другими методами. Благодаря высокой мощности импульсов, 90% разбрызгиваемых частиц ионизируются, которые направляются непосредственно на подложку электрическими и магнитными полями. В результате к процессу осаждения можно применять высокий уровень контроля. Тонкая пленка, нанесенная этим методом, будет иметь высокую плотность. Например, заявленная плотность для тонкой углеродной пленки, нанесенной с помощью HPIMS, составляет 2.7 г / см ³, в то время как заявленная плотность тонкой пленки, нанесенной магнетронным распылением постоянного тока, составляет 2 г / см ³.

В 2005 году был введен метод разделения импульсов на две фазы. На первом этапе плазма создается за счет низкой ионизации, а на втором этапе плазма доводится до конечной фазы, которая представляет собой высокий процент ионизации. Этот метод снизил энергопотребление HPIMS.

Дополнительные сведения см. В следующих ресурсах.

Ссылки:

Источники распыления, Мэтью М.Уэйт , Вест-Честерский университет Пенсильвании, Западный Честер, Пенсильвания; С. Исмат Шах , Делавэрский университет, Ньюарк, Делавэр; Дэвид А. Глокер , Isoflux Incorporated, Рочестер, Нью-Йорк
Импульсное магнетронное распыление — обзор процесса и приложения, П. Дж. Келли, Дж. У. Брэдли, ЖУРНАЛ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, Vol. 11, No. 9, сентябрь 2009 г., стр. 1101 — 1107
Характеристика плазмы импульсного магнетронного распыления постоянного тока, А. Белкинд, А. Фрейлих, Дж. Лопес, З. Чжао, В. Чжу и К. Беккер, New Journal of Physics 7 (2005) 90, DOI: 10.1088 / 1367-2630 / 7/1/090

Осаждение магнетронным распылением — тонкие пленки с магнетронным напылением

Магнетронное распыление — это процесс плазменного осаждения из паровой фазы (PVD), в котором создается плазма, и положительно заряженные ионы из плазмы ускоряются электрическим полем, наложенным на отрицательно заряженный электрод или «мишень». Положительные ионы ускоряются потенциалами от нескольких сотен до нескольких тысяч электрон-вольт и ударяются по отрицательному электроду с достаточной силой, чтобы сместить и выбросить атомы из мишени.Эти атомы будут выбрасываться в соответствии с типичным косинусоидальным распределением прямой видимости с лицевой стороны мишени и будут конденсироваться на поверхностях, которые расположены вблизи катода магнетронного распыления.

Мишени изготовлены из материалов, которые впоследствии необходимо нанести на поверхность детали, обращенную к электроду. Проводящие материалы можно наносить с помощью источника постоянного тока (DC), а изоляторы можно наносить с помощью источника питания радиочастоты (RF).13,56 МГц — одна из частот в радиочастотном спектре, выделенная для «промышленных приложений», поскольку на сегодняшний день это наиболее распространенная частота, используемая в приложении для распыления.

Осаждение магнетронным распылением использует замкнутое магнитное поле для захвата электронов, повышая эффективность начального процесса ионизации и позволяя генерировать плазму при более низких давлениях, что снижает как включение фонового газа в растущую пленку, так и потери энергии в распыляемом атоме через газовые столкновения.Этот метод был впервые применен в 1852 году и получил коммерческий успех в индустрии микроэлектроники и архитектурного стекла в 1960-х и 1970-х годах. В настоящее время источники магнетронного распыления коммерчески доступны во многих геометрических конфигурациях, где мишени могут быть круглыми, прямоугольными или трубчатыми по форме. За последние несколько лет подходы, основанные на перемещении магнитного поля по поверхности цели, были разработаны и внедрены в полевых условиях для реализации решений для конкретных приложений.

Для получения дополнительной информации о нанесении магнетронного распыления или для обсуждения вашего проекта позвоните по телефону 412-469-8466 или свяжитесь с нами через Интернет.

Страница не найдена — DAAAM International Vienna

Перейти к основному содержанию

Дом
DAAAM
- Около
- Организация
- Комитеты
- Система членства
- Конфиденциальность
Публикации
- DAAAM Proceedings
  - 30-е заседание (2019)
  - , 29-е заседание (2018)
  - 28-е заседание (2017)
  - 27-е слушания (2016)
  - 26-е заседание (2015)
  - 25-е заседание (2014)
  - 24-е заседание (2013)
  - 23-е заседание (2012)
  - 22-е заседание (2011)
  - 21-е заседание (2010)
- Научная книга
  - Научная книга 2020
  - Научная книга 2019
  - Научная книга 2018
  - Научная книга 2017
  - Научная книга 2016
  - Научная книга 2015
  - Научная книга 2014
  - Научная книга 2013
  - Научная книга 2012
  - Научная книга 2011
  - Научная книга 2010
  - Научная книга 2009
  - Научная книга 2008
  - Научная книга 2007
  - Научная книга 2006
- IJSIMM
Для авторов
- Порядок публикации
- Членство
- Темы
- шаблоны
- Платежи
- Презентации
- Ф.A.Q.
Симпозиум
Докторантура
Академия
Галерея
Мой профиль

Дом
DAAAM
- Около
- Организация
- Комитеты
- Система членства
- Конфиденциальность
Публикации
- DAAAM Proceedings
  - 30-е заседание (2019)
  - , 29-е заседание (2018)
  - 28-е заседание (2017)
  - 27-е слушания (2016)
  - 26-е заседание (2015)

Магнетронное распыление нового метода изготовления биоразлагаемых материалов для имплантатов на основе железа

В предыдущем десятилетии было показано, что чистое железо имеет большой потенциал в качестве биоразлагаемого материала для медицинских имплантатов.Свойства материала необходимо подбирать в соответствии с предполагаемым использованием устройства. Представляет большой интерес исследовать не только влияние обработки на свойства материала, но и альтернативные методы изготовления. В этой работе впервые магнетронное распыление в сочетании с УФ-литографией было использовано для изготовления свободно стоящих узорчатых толстых пленок из чистого железа. Для предполагаемого использования в качестве биоразлагаемого материала имплантата отдельные толстые пленки были охарактеризованы с точки зрения микроструктуры, характеристик разложения и механических свойств до и после различных термообработок.Влияние микроструктурных изменений на поведение деградации определяли измерениями линейной поляризации. Механические свойства были охарактеризованы испытаниями на растяжение. Микроструктуру, поверхность и состав исследовали методами сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM), энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) и дифракции рентгеновских лучей (XRD). Фольги имели преимущественную ориентацию по направлению и мелкозернистую структуру. Кроме того, они показали более высокую прочность по сравнению с чугуном и скорость коррозии в пределах 0.1 мм / год. Их механические свойства регулировались за счет укрупнения зерна, что приводило к небольшому увеличению скорости разрушения.

1. Введение

Использование металлических материалов в качестве медицинских имплантатов, таких как стенты, сетки, гвозди, пластины и винты, в настоящее время является обычным лечением. Имплантаты часто служат своей цели только в течение периода заживления от 3 до 12 месяцев [1, 2]; впоследствии наличие имплантатов чревато такими осложнениями, как рестеноз стента и хронические воспалительные реакции [3].Лучший способ предотвратить такие осложнения — это использование разлагаемых имплантатов; поэтому биоразлагаемые материалы на основе металлов являются предметом интенсивных исследований в последние годы [1, 3–6]. Наиболее яркими примерами биоразлагаемых металлов являются магний и железо, а также некоторые их сплавы [3]. Оба металла являются важными элементами в метаболизме человека. Сообщалось, что разложение чистого магния происходит быстро и со значительным выделением водорода [

Определение удельного заряда электрона методом магнетрона

В микроволновой печи скрывается мощное и опасное СВЧ оружие / Хабр

В микроволновке находится генератор СВЧ волн огромной мощности

Вскрываю корпус

Антенна для магнетрона

Необычные опыты

Техника безопасности

Необычные применения магнетрона

Применение

Использование СВЧ-технологии

Применение СВЧ-технологии в промышленности

Применение СВЧ-технологии в других отраслях

Преимущества и экономическая эффективность магнетронов

Характеристики промышленных магнетронов

Радиационные характеристики ускорителей

Габариты и масса отдельных элементов ускорителей

Конструкция ускорителя

Неисправности магнетронов | yourmicrowell.ru

Магнетронное распыление — технология и установки тонких пленок мишени метод реактивное недостатки видео

Магнетронное распыление – технология и установки.

Описание:

Преимущества:

Применение:

Как из колокольни сделать магнетрон. Пособие для чайников.

Диагностика разрядов с магнетронным распылением методом резонансной абсорбционной спектроскопии

1. Введение: разряды с магнетронным распылением

Рисунок 1.

Рисунок 2.

2. Особенности резонансного поглощения

2.1. Основы метода резонансного поглощения

Рисунок 3.

2.2. Роль спектрального уширения линии

Таблица 1.

Рис. 4.

2.3. Экспериментальная установка для резонансного поглощения

Рисунок 5.

Рисунок 6.

Рис. 7.

Таблица 2.

3. Поведение плотности частиц в разрядах DCMS

3.1. Пространственная характеристика разряда DCMS

Рис. 8.

3.2. Абсолютная плотность в реактивном разряде DCMS

Рис. 9.

4. Динамика плотности частиц в разрядах HiPIMS

4.1. Эволюция плотности частиц с временным разрешением в HiPIMS

Рис. 10.

Рисунок 11.

Рис. 12.

Таблица 3.

4.2. Инверсия населенностей энергетических подуровней

Рис. 13.

Методы магнетронной связи

Импульсное магнетронное напыление постоянного тока | Процесс распыления постоянным током

Осаждение магнетронным распылением — тонкие пленки с магнетронным напылением

Страница не найдена — DAAAM International Vienna

Магнетронное распыление нового метода изготовления биоразлагаемых материалов для имплантатов на основе железа

1. Введение

alexxlab

Вам также может понравиться

Проводник это физика: Что такое электропроводность?

Определение кибернетика: КИБЕРНЕТИКА • Большая российская энциклопедия

Добавить комментарий Отменить ответ