ФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ В ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

Бровикова И.Н., Галиаскаров Э.Г.

Egalias@icti.ivanovo.su

Ивановский государственный химико-технологический университет

Процесс металлизации полимерных материалов связан с рядом особенностей, обусловленных типом полимерного материала и способом формирования металлических покрытий [1]. В настоящее время для получения металлических покрытий на полимерных материалах широко используют магнетронные распылительные устройства, которые могут работать как от источника постоянного напряжения, так и от ВЧ-источников.

Действие магнетронного распылительного устройства основано на распылении катода-мишени в аномальном тлеющем разряде в неоднородных скрещенных электрических и магнитных полях [2]. Распыление мишени осуществляется ионами аргона при большой плотности ионного тока вследствие локализации плазмы у распыляемой поверхности мишени с помощью сильного поперечного магнитного поля.

Необходимая скорость осаждения металлических покрытий в условиях тлеющего разряда постоянного тока может с достаточной точностью поддерживаться за счет постоянства таких параметров как ток разряда и подводимая мощность. Магнетронные системы обеспечивают максимальную ионизацию газа (а, следовательно, и скорость процесса) при определенных геометрии разрядного промежутка, давлении газа, оптимальных величинах электрического и магнитного поля. В результате предварительных экспериментов было установлено, что изменение расстояния между мишенью и подложкой в интервале 0,12-0,20 м и тока разряда в диапазоне 100? 400 мА в зависимости от давления газа (аргона) обеспечивают высокую скорость распыления и равномерность покрытия, не допуская термического разрушения полимерных материалов (полиэтилен, лавсан, поливинилхлорид). Для оптимизации процесса металлизации полимерных материалов необходимо знание физических параметров плазмы магнетронных распылительных систем.

При проведении зондовых измерений подложка магнетронной системы заменялась плоским противозондом размером (15x15)^.10^-2 м. Зонд диаметром 3^.10^-4 м и длиной 5^.10^-3 м размещался на расстоянии 0,12 м от мишени, выполненной из алюминия. Ось зонда ориентировалась вдоль направления мишень-подложка с целью минимального запыления. Измерения проводились за время, в течение которого образование пленок на зонде не влияло на вольтамперную характеристику, что проверялось отсутствием гистерезиса. В условиях работы распылительной установки на достаточно большом расстоянии от магнитной системы реализуются все предпосылки, заложенные в теории зондов – длина свободного пробега частиц превышает размер зонда и радиус экранирования. Для определения тока электронов на зонд из полного зондового тока вычиталась ионная составляющая, получаемая линейной экстраполяцией тока ионов в область потенциалов, близких к плазменному. По наклону зависимости тока электронов от потенциала зонда в полулогарифмических координатах определяли среднюю энергию электронов, а из тока на зонд при потенциале плазмы – концентрацию электронов по формуле:

где - ток на зонд при потенциале равном плазменному; T_e = 11600e _ср; S – площадь поверхности зонда; e, m_e – заряд и масса электрона; k – постоянная Больцмана.

Результаты зондовых измерений представлены в таблице.

Таблица

Концентрация и средняя энергия электронов

J_p, мА

P, 10^-1 Па

e _ср, эВ

n_e, 10⁹ см^-3

117

112

100

150

200

380

1,33

5,32

13,33

2,66

3,2

3,4

4,5

4,2

3,8

4,2

5,0

2,4

2,6

2,0

1,2

0,5

1,3

0,9

0,4

5,4

Снижение давления рабочего газа приводит к увеличению концентрации электронов вблизи подложки и уменьшению их средней энергии. Одновременно при уменьшении давления газа и постоянном токе разряда растет число атомов металла, достигающих подложки.

Литература

Липин Ю.В., Рогачев А.В., Харитонов В.В. Вакуумная металлизация полимерных материалов. Л.: Химия, 1997. – 147 С.
Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь, 1982. – 72 С.