Влияние добавки аргона в водородометановую смесь на синтез алмазоподобного покрытия в тлеющем разряде, стабилизированном магнитным полем
У роботі приводяться результати дослідження параметрів тліючого розряду, стабілізованого магнітним полем, призначеного для синтезу алмазних покриттів з газової фази при використанні різних робочих газів. Показано, що в таких розрядах катодне падіння потенціалу досягає 700 В, що помітно перевищує...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2002 |
| Автори: | , , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2002
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80157 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние добавки аргона в водородометановую смесь на синтез алмазоподобного покрытия в тлеющем разряде, стабилизированном магнитным полем / В.К. Пашнев, В.Е. Стрельницкий, О.А. Опалев, В.И. Грицина, И.И. Выровец, Ю.А. Бизюков, П.Г. Крышталь, З.И. Колупаева // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 6. — С. 134-138. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80157 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Пашнев, В.К. Стрельницкий, В.Е. Опалев, О.А. Грицина, В.И. Выровец, И.И. Бизюков, Ю.А. Крышталь, П.Г. Колупаева, З.И. 2015-04-12T16:15:11Z 2015-04-12T16:15:11Z 2002 Влияние добавки аргона в водородометановую смесь на синтез алмазоподобного покрытия в тлеющем разряде, стабилизированном магнитным полем / В.К. Пашнев, В.Е. Стрельницкий, О.А. Опалев, В.И. Грицина, И.И. Выровец, Ю.А. Бизюков, П.Г. Крышталь, З.И. Колупаева // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 6. — С. 134-138. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80157 537.525:539.23:679.826 У роботі приводяться результати дослідження параметрів тліючого розряду, стабілізованого магнітним полем, призначеного для синтезу алмазних покриттів з газової фази при використанні різних робочих газів. Показано, що в таких розрядах катодне падіння потенціалу досягає 700 В, що помітно перевищує характерні катодні падіння потенціалів у розрядах без магнітного поля. Додавання аргону в робочу газову суміш знижує катодне падіння потенціалу до 100 В. Показано так само, що алмазні покриття, одержувані в суміші робочого газу H₂+Ar+CH₄, мають розмір алмазного зерна 40…50 нм, а в суміші робочого газу H₂+CH₄ розмір зерна досягає 20 мкм за інших рівних умов синтезу алмазного покриття. В работе приводятся результаты исследования параметров тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, предназначенного для синтеза алмазных покрытий из газовой фазы при использовании различных рабочих газов. Показано, что в таких разрядах катодное падение потенциала достигает 700 В, что заметно превышает характерные катодные падения потенциалов в разрядах без магнитного поля. Добавление аргона в рабочую газовую смесь снижает катодное падение потенциала до 100 В. Показано так же, что алмазные покрытия, получаемые в смеси рабочего газа H₂+Ar+CH₄, имеют размер алмазного зерна 40…50 нм, а в смеси рабочего газа H₂+CH₄ размер зерна достигает 20 мкм при прочих равных условиях синтеза алмазного покрытия. Investigation of parameters of the glow discharge stabilized by magnetic field in different gas mixtures under conditions of diamond films synthesis was performed. It was shown that in such discharges the cathode voltage drop reaches 700 V, that significantly exceeds the typical cathode voltage drop in the glow discharge without magnetic field. Addition of argon into the working gas mixture reduces the cathode voltage drop up to 100 V. Moreover it was shown that the grain size in diamond coatings synthesized in H₂+Ar+CH₄ gas mixture is about 40…50 nm, while for H₂+CH₄ working gas mixture the grain size achieves 20 µm at the same coating deposition conditions. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Влияние добавки аргона в водородометановую смесь на синтез алмазоподобного покрытия в тлеющем разряде, стабилизированном магнитным полем Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Влияние добавки аргона в водородометановую смесь на синтез алмазоподобного покрытия в тлеющем разряде, стабилизированном магнитным полем |
| spellingShingle |
Влияние добавки аргона в водородометановую смесь на синтез алмазоподобного покрытия в тлеющем разряде, стабилизированном магнитным полем Пашнев, В.К. Стрельницкий, В.Е. Опалев, О.А. Грицина, В.И. Выровец, И.И. Бизюков, Ю.А. Крышталь, П.Г. Колупаева, З.И. Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| title_short |
Влияние добавки аргона в водородометановую смесь на синтез алмазоподобного покрытия в тлеющем разряде, стабилизированном магнитным полем |
| title_full |
Влияние добавки аргона в водородометановую смесь на синтез алмазоподобного покрытия в тлеющем разряде, стабилизированном магнитным полем |
| title_fullStr |
Влияние добавки аргона в водородометановую смесь на синтез алмазоподобного покрытия в тлеющем разряде, стабилизированном магнитным полем |
| title_full_unstemmed |
Влияние добавки аргона в водородометановую смесь на синтез алмазоподобного покрытия в тлеющем разряде, стабилизированном магнитным полем |
| title_sort |
влияние добавки аргона в водородометановую смесь на синтез алмазоподобного покрытия в тлеющем разряде, стабилизированном магнитным полем |
| author |
Пашнев, В.К. Стрельницкий, В.Е. Опалев, О.А. Грицина, В.И. Выровец, И.И. Бизюков, Ю.А. Крышталь, П.Г. Колупаева, З.И. |
| author_facet |
Пашнев, В.К. Стрельницкий, В.Е. Опалев, О.А. Грицина, В.И. Выровец, И.И. Бизюков, Ю.А. Крышталь, П.Г. Колупаева, З.И. |
| topic |
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| topic_facet |
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| publishDate |
2002 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| description |
У роботі приводяться результати дослідження параметрів тліючого розряду, стабілізованого магнітним полем,
призначеного для синтезу алмазних покриттів з газової фази при використанні різних робочих газів. Показано, що в
таких розрядах катодне падіння потенціалу досягає 700 В, що помітно перевищує характерні катодні падіння
потенціалів у розрядах без магнітного поля. Додавання аргону в робочу газову суміш знижує катодне падіння
потенціалу до 100 В. Показано так само, що алмазні покриття, одержувані в суміші робочого газу H₂+Ar+CH₄, мають
розмір алмазного зерна 40…50 нм, а в суміші робочого газу H₂+CH₄ розмір зерна досягає 20 мкм за інших рівних умов
синтезу алмазного покриття.
В работе приводятся результаты исследования параметров тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, предназначенного для синтеза алмазных покрытий из газовой фазы при использовании различных рабочих газов.
Показано, что в таких разрядах катодное падение потенциала достигает 700 В, что заметно превышает характерные катодные падения потенциалов в разрядах без магнитного поля. Добавление аргона в рабочую газовую смесь снижает катодное падение потенциала до 100 В. Показано так же, что алмазные покрытия, получаемые в смеси рабочего газа
H₂+Ar+CH₄, имеют размер алмазного зерна 40…50 нм, а в смеси рабочего газа H₂+CH₄ размер зерна достигает 20 мкм
при прочих равных условиях синтеза алмазного покрытия.
Investigation of parameters of the glow discharge stabilized by magnetic field in different gas mixtures under conditions of
diamond films synthesis was performed. It was shown that in such discharges the cathode voltage drop reaches 700 V, that significantly
exceeds the typical cathode voltage drop in the glow discharge without magnetic field. Addition of argon into the
working gas mixture reduces the cathode voltage drop up to 100 V. Moreover it was shown that the grain size in diamond coatings
synthesized in H₂+Ar+CH₄ gas mixture is about 40…50 nm, while for H₂+CH₄ working gas mixture the grain size achieves
20 µm at the same coating deposition conditions.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80157 |
| citation_txt |
Влияние добавки аргона в водородометановую смесь на синтез алмазоподобного покрытия в тлеющем разряде, стабилизированном магнитным полем / В.К. Пашнев, В.Е. Стрельницкий, О.А. Опалев, В.И. Грицина, И.И. Выровец, Ю.А. Бизюков, П.Г. Крышталь, З.И. Колупаева // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 6. — С. 134-138. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT pašnevvk vliâniedobavkiargonavvodorodometanovuûsmesʹnasintezalmazopodobnogopokrytiâvtleûŝemrazrâdestabilizirovannommagnitnympolem AT strelʹnickiive vliâniedobavkiargonavvodorodometanovuûsmesʹnasintezalmazopodobnogopokrytiâvtleûŝemrazrâdestabilizirovannommagnitnympolem AT opalevoa vliâniedobavkiargonavvodorodometanovuûsmesʹnasintezalmazopodobnogopokrytiâvtleûŝemrazrâdestabilizirovannommagnitnympolem AT gricinavi vliâniedobavkiargonavvodorodometanovuûsmesʹnasintezalmazopodobnogopokrytiâvtleûŝemrazrâdestabilizirovannommagnitnympolem AT vyrovecii vliâniedobavkiargonavvodorodometanovuûsmesʹnasintezalmazopodobnogopokrytiâvtleûŝemrazrâdestabilizirovannommagnitnympolem AT bizûkovûa vliâniedobavkiargonavvodorodometanovuûsmesʹnasintezalmazopodobnogopokrytiâvtleûŝemrazrâdestabilizirovannommagnitnympolem AT kryštalʹpg vliâniedobavkiargonavvodorodometanovuûsmesʹnasintezalmazopodobnogopokrytiâvtleûŝemrazrâdestabilizirovannommagnitnympolem AT kolupaevazi vliâniedobavkiargonavvodorodometanovuûsmesʹnasintezalmazopodobnogopokrytiâvtleûŝemrazrâdestabilizirovannommagnitnympolem |
| first_indexed |
2025-11-27T02:57:23Z |
| last_indexed |
2025-11-27T02:57:23Z |
| _version_ |
1850795681690681344 |
| fulltext |
УДК 537.525:539.23:679.826
ВЛИЯНИЕ ДОБАВКИ АРГОНА В ВОДОРОДО-МЕТАНОВУЮ СМЕСЬ
НА СИНТЕЗ АЛМАЗНОГО ПОКРЫТИЯ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ,
СТАБИЛИЗИРОВАННОМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
В.К.Пашнев, В.Е.Стрельницкий, О.А.Опалев, В.И.Грицина, И.И.Выровец, Ю.А.Бизю-
ков, П.Г.Крышталь
Национальный Научный Центр «Харьковский физико-технический институт»,
г.Харьков, Украина
З.И.Колупаева
Харьковский государственный политехнический университет, г.Харьков, Украина
У роботі приводяться результати дослідження параметрів тліючого розряду, стабілізованого магнітним полем,
призначеного для синтезу алмазних покриттів з газової фази при використанні різних робочих газів. Показано, що в
таких розрядах катодне падіння потенціалу досягає 700 В, що помітно перевищує характерні катодні падіння
потенціалів у розрядах без магнітного поля. Додавання аргону в робочу газову суміш знижує катодне падіння
потенціалу до 100 В. Показано так само, що алмазні покриття, одержувані в суміші робочого газу H2+Ar+CH4, мають
розмір алмазного зерна 40…50 нм, а в суміші робочого газу H2+CH4 розмір зерна досягає 20 мкм за інших рівних умов
синтезу алмазного покриття.
В работе приводятся результаты исследования параметров тлеющего разряда, стабилизированного магнитным по-
лем, предназначенного для синтеза алмазных покрытий из газовой фазы при использовании различных рабочих газов.
Показано, что в таких разрядах катодное падение потенциала достигает 700 В, что заметно превышает характерные ка-
тодные падения потенциалов в разрядах без магнитного поля. Добавление аргона в рабочую газовую смесь снижает ка-
тодное падение потенциала до 100 В. Показано так же, что алмазные покрытия, получаемые в смеси рабочего газа
H2+Ar+CH4, имеют размер алмазного зерна 40…50 нм, а в смеси рабочего газа H2+CH4 размер зерна достигает 20 мкм
при прочих равных условиях синтеза алмазного покрытия.
Investigation of parameters of the glow discharge stabilized by magnetic field in different gas mixtures under conditions of
diamond films synthesis was performed. It was shown that in such discharges the cathode voltage drop reaches 700 V, that sig-
nificantly exceeds the typical cathode voltage drop in the glow discharge without magnetic field. Addition of argon into the
working gas mixture reduces the cathode voltage drop up to 100 V. Moreover it was shown that the grain size in diamond coat-
ings synthesized in H2+Ar+CH4 gas mixture is about 40…50 nm, while for H2+CH4 working gas mixture the grain size achieves
20 µm at the same coating deposition conditions.
1. ВВЕДЕНИЕ
Ранее нами был выполнен большой цикл иссле-
дований, посвященный синтезу поликристалличе-
ских алмазных покрытий (ПАП) в тлеющем разряде,
стабилизированном магнитным полем, в атмосфере
H2+CH4 [1-3]. Полученные результаты свидетель-
ствуют о перспективности использования данного
метода активации рабочего газа при нанесении по-
крытий на большие площади. Известно, что добавки
инертных газов воздействуют на протекание хими-
ческих реакций при синтезе алмаза методом хими-
ческого осаждения из газовой фазы (CVD-метод). В
частности, добавка в рабочую смесь H2+CH4 инерт-
ного газа аргона приводит к повышению степени
диссоциации молекулярного водорода. В этой связи
представляет интерес проведение исследований
влияния добавки аргона на параметры тлеющего
разряда и свойства получаемых ПАП.
Настоящая работа посвящена исследованию па-
раметров газового разряда, стабилизированного маг-
нитным полем, при использовании различных сме-
сей рабочего газа. Проведено сравнение ПАП, полу-
чаемых в смеси рабочих газов H2+CH4. и
H2+Ar+CH4.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Эксперименты проводились на установке, опи-
санной в работе [1]. Тлеющий разряд зажигается
между катодом и кольцевым анодом в поперечном
магнитном поле. Токовый канал в такой конфигура-
ции вращается относительно оси катод-анод и акти-
вирует рабочий газ над подложкой, расположенной
внутри кольцевого анода. Такая конфигурация раз-
ряда позволяет наносить алмазные покрытия на
большие плоские поверхности. Вводимая в разряд
мощность изменялась в интервале 4,5…7 кВт.
В процессе исследований проводились измере-
ния скорости вращения токового канала и основных
параметров разряда. Эти эксперименты были
направлены на определение величины катодного и
анодного падений потенциала. Как известно, выра-
жение для падения напряжения в разрядном проме-
жутке газового разряда постоянного тока может
быть записано следующим образом [4]:
_________________________________________________________________________________
134 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2002. №6.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (82), с.134-138.
kаср UEU += . (1)
Здесь Еср – среднее электрическое поле в поло-
жительном столбе газового разряда, Uка – сумма
анодного и катодного падения потенциалов, – рас-
стояние между анодом и катодом. Изменяя длину
разрядного промежутка и падение напряжения на
нем, можно рассчитать величину Еср и Uка. Очевид-
но, что точность определения величины Еср и Uка бу-
дет тем выше, чем на меньшую величину будет из-
меняться длина .
В процессе экспериментов измерялись средние
значения разрядного напряжения U и разрядного
тока I, регистрировались их флуктуации U~ и I~ и
изучался спектр этих флуктуаций. Кроме того, с по-
мощью светодиода изучался спектр флуктуаций све-
чения газового разряда и света, принимаемого из ло-
кализованного объема. Характерные осциллограм-
мы измеряемых параметров приведены на рис.1, из
которого видно, что спектр колебаний тока имеет
характерную частоту (f=300 Гц); наблюдается также
более низкая частота (f=50 Гц). Колебания тока име-
ют не синусоидальный характер и, по-видимому,
связаны с работой трехфазного выпрямителя источ-
ника питания. Величина I
I~ изменялась в диапазо-
не 0,25…0,7 и возрастала с уменьшением тока. В
процессе исследований ток изменялся от 3,8 А до
8 А в зависимости от давления, состава рабочего
газа и уровня вводимой мощности. При этом разряд-
ное напряжение изменялось в интервале 700 В…
1250 В, изменение давления рабочего газа происхо-
дило в диапазоне 70…200 Торр. В качестве рабочего
газа использовались различные газовые смеси: водо-
род; водород и 10% аргона; водород и 0,5% метана;
водород, 10% аргона и 0,5% метана; водород, 10%
аргона и 0,5% углекислого газа. Колебания общего
света из разряда в основном повторяют колебания
тока с f=300 Гц, в то же время более низкие гармо-
ники колебаний света выражены более явно по срав-
нению с колебаниями тока. Спектр колебаний
напряжения обычно не коррелирует с флуктуациями
тока (см. рис.1). Однако практически для всех рабо-
чих газов при увеличении давления на осциллограм-
мах напряжения появляются флуктуации, связанные
с колебаниями тока. Такой переход в поведении раз-
ряда наблюдается при значениях U
U~ ≥0,08. Макси-
мальные значения U
U~ достигают 19%.
В разрядах с уровнем пульсаций U
U~ ≤0,08 на-
блюдается устойчивая корреляция между сигналом
светодиода, принимающего свет из локализованного
объема разряда, и U~ . Ранее проведенные исследова-
ния [1] показали, что сигнал светодиода, принимаю-
щего свет из локализованного объема разряда, свя-
зан с вращением токового канала. Поэтому можно
предположить, согласно выражению (1), что колеба-
ния напряжения определяются изменением длины
токового канала при его вращении из-за асимметрии
системы катод-анод. Величина колебания напряже-
ния также может быть использована для расчета
среднего электрического поля в токовом канале и
падения напряжения на катоде и аноде. Расчеты
можно произвести, пользуясь выражением (2), кото-
рое легко получается из (1):
kaсрср UEEU δδδδ ++= . (2)
Очевидно, что в случае отсутствия на сигнале
разрядного напряжения флуктуаций, связанных с
изменением разрядного тока, (такая ситуация на-
блюдается при U
U~ ≤ 0,08), можно записать:
0=+ kaср UE δδ . (3)
Условие (3) показывает, что с изменением раз-
рядного тока электрическое поле в положительном
столбе разряда, а также анодное и катодное падения
потенциала в нем не изменяются, т. е.
== σ
jEср const, (4)
где j – плотность тока и σ – электропроводность
плазмы. Условие (4) соответствует одному из
свойств «нормального» тлеющего разряда.
Были получены значения Еср и Uка, рассчитанные
как из экспериментов при различных значениях рас-
стояния катод-анод, так и из пульсаций напряжения.
Ниже приведены данные, полученные в разрядах с
водородом и со смесью водород-аргон, как пред-
ставляющие наибольший интерес.
Изменения характерного периода вращения то-
кового канала Т от давления рабочего газа приведе-
ны на рис.2. Здесь же показано изменение разрядно-
го тока. Видно, что при одной и той же вынуждаю-
щей силе Ампера ][ BIF ×=
(В – индукция маг-
нитного поля) скорость вращения токового канала
существенно зависит от состава рабочего газа.
На рис.3 приведена зависимость величины Т⋅I –
произведения периода вращения токового канала Т
на значение разрядного тока I от давления рабочего
газа. “Усами” обозначен интервал изменения значе-
ния Т⋅I при изменении тока в разряде. Видно, что ве-
личина Т⋅I слабо изменяется при изменении тока, и
увеличение тока приводит к уменьшению периода
135
Рис.1. Временные флуктуации основных
параметров разряда (Р=158 торр, I=5,9 А,
U=1068 В, рабочий газ водород): а) общего света;
б)тока; в) света, принимаемого из
локализованного объема разряда; г) напряжения
а
б
в
г
0 10 20 30 t, мс
вращения токового канала, т.е. к увеличению его
скорости вращения. Увеличение давления рабочего
газа также увеличивает скорость вращения токового
канала.
Расчетные значения среднего электрического
поля в положительном столбе газового разряда для
водорода и смеси водорода с аргоном приведены на
рис.4. Наблюдается хорошее соответствие значений
Еср, полученных при изменении расстояния катод-
анод и по пульсациям напряжения.
На этом рисунке приведены также значения раз-
рядного напряжения в зависимости от давления в
реакционном объеме.
Видно, что добавление аргона в водород ведет к
увеличению электрического поля в положительном
столбе, в то же время общее разрядное напряжение
снижается. Это свидетельствует об уменьшении ка-
тодного и анодного падений потенциала в разряде
водорода с аргоном.
Зависимость катодного и анодного падений по-
тенциала от давления водорода и смеси водорода с
аргоном приведена на рис.5. Видно, что добавление
аргона заметно снижает катодное падение потенциа-
ла.
Следует отметить, что зависимость катодного и
анодного падений потенциала от давления газа для
рабочих смесей Н2+СН4; Н2+Аr+СН4 и Н2+Аr+СО2
аналогична разряду в водороде, и величина Uка изме-
няется в интервале 400 В…700 В. Так как обычно
анодное падение потенциала существенно меньше
катодного в тлеющем разряде [4], то можно считать,
что рассчитанное напряжение Uка, в основном, свя-
зано с катодным падением потенциала. Известно,
что газовый разряд является дуговым, если катодное
падение потенциала близко к энергии ионизации(≥
20 В), т.е. наблюдаемый в наших экспериментах раз-
ряд по этому признаку является тлеющим разрядом.
В классических тлеющих разрядах без поперечного
магнитного поля катодное падение потенциала со-
ставляет 200…300 В и плотность тока j<<1 А/см2. В
наших разрядах повышенную плотность тока j≈1
А/см2 [1], по-видимому, обеспечивает вращение то-
кового канала и более высокое значение катодного
136
Рис.2. Период вращения токового канала Т
(сплошные линии) и разрядный ток (пунктир) в
зависимости от давления для водородного () и
водородо-аргонового () разрядов
P, торр10050 150
1
2
3
4
5
6
T, ms I, A
6
8
10
I
T
P, торр10050 150
10
20
30
40
T⋅I, мс·А
Рис.3. Зависимость произведения периода
вращения токового канала и разрядного тока T⋅I
от давления разряда в водороде – , и в водородно-
аргоновой смеси–
Рис.4. Зависимость разрядного напряжения U и
среднего электрического поля Е
ср
в
положительном столбе газового разряда от
давления: – рабочий газ водород; – рабочий газ
водород и аргон. Значения электрического поля и
получены из расчета пульсаций напряжения,
значения и получены из расчетов при изменении
расстояния катод-анод
P,
торр
10050 150
Е, В/см
100
200
300
800
1000
0
400
200
600
U, ВU
E
ср
U
КА
, В
100
P, торр
200
300
400
500
10050 150
Рис.5. Сумма катодного и анодного падений
потенциала: – рабочий газ водород; – рабочий
газ водород и аргон; и – расчетные данные по
пульсациям напряжения, и – расчетные данные,
полученные при изменении расстояния катод-
анод
падения потенциала. В «нормальных» тлеющих раз-
рядах j=const, т. е. напряжение на разрядном проме-
жутке не зависит от разрядного тока. Это соответ-
ствует условиям (3) и (4), то есть при U
U~ ≤0,08 ис-
следуемый нами разряд соответствует «нормально-
му» тлеющему разряду. При увеличении U
U~ >0,08
исследуемый нами разряд, по-видимому, переходит
в «аномальный», в котором условия (3) и (4) не вы-
полняются, и на сигнале напряжения наблюдаются
пульсации, связанные с колебаниями разрядного то-
ка.
Используя данные спектральных исследований
излучения из газового разряда, стабилизированного
магнитным полем, проведенных ранее [2], была рас-
считана температура TГ водородо-метановой смеси в
токовом канале. Она составила TГ ≈ 3400 oC. Темпе-
ратура газа ТГ определялась из анализа относитель-
ных интенсивностей линий вращательной структу-
ры электронно-колебательной полосы системы Фул-
фера (d3Πu, υ→a3Σq, υ′′; υ′=υ′′=0) молекулы водорода.
Измеряемой величиной является вращательная тем-
пература. В условиях данного эксперимента время
между столкновениями оказалось много меньше ра-
диационного времени жизни молекулы водорода в
состоянии H2(d3П4). В этой ситуации распределение
молекул по вращательным уровням электронно-ко-
лебательного состояния является Больцмановским, а
соответствующая ему вращательная температура
совпадает с газовой температурой [5].
Проведены осаждения поликристаллических ал-
мазных покрытий из водородо-метановой смеси в
тлеющем разряде, стабилизированном магнитным
полем, на молибденовую и вольфрамовую подлож-
ки. Скорость синтеза ПАП составляла более 3
мкм/час.
Фотография поверхности ПАП на молибденовой
подложке приведена на рис.6. Как видно из рисунка,
на поверхности покрытия видны ограненные кри-
сталлы алмаза размером до 20 мкм. Коэффициент
использования подаваемого в камеру углерода в ре-
жиме синтеза алмазного покрытия достигал 30%.
Следует отметить, что это достаточно высокий ре-
зультат. Например, в работе [6] коэффициент ис-
пользования углерода составил 10 %.
Добавление аргона в рабочую смесь заметно из-
менило структуру ПАП, наносимую на молибдено-
вую подложку (см. рис.7).
По данным рентгеноструктурного анализа раз-
мер алмазного зерна составил 400…500 ангстрем;
толщина промежуточного карбидного слоя из Мо2С
уменьшилась с 8 для разряда в водородо-метановой
смеси до 4 мкм для разряда в водородо-аргоново-ме-
тановой смеси. Уменьшение толщины карбидного
слоя при росте ПАП из водородо-аргоново-метано-
вой смеси можно объяснить значительно более вы-
сокой плотностью зародышей алмаза и, следова-
тельно, меньшим временем образования сплошного
слоя ПАП на металлической подложке, что блоки-
рует дальнейший рост карбидного слоя.
Добавление аргона в рабочую смесь приводит
также к изменению характера свечения плазменного
разряда.
В отличие от разряда без добавки аргона свече-
ние зеленой линии “Swan band” радикала С2 наблю-
дается до давления Р≤120 Торр; при этом скорость
роста ПАП достигает 3 мкм/ч. При более высоких
давлениях зеленая линия свечения радикала С2 исче-
зает, а скорость роста ПАП уменьшается до 1 мкм/ч.
Это могло бы свидетельствовать о существенном
влиянии радикала С2 на механизм синтеза алмаза.
Однако следует заметить, что в водородо-метановых
разрядах увеличение свечения зеленой линии С2 не
всегда сопровождалось ростом скорости синтеза
ПАП. Как видно, влияние аргона на синтез ПАП яв-
ляется неоднозначным и требует проведения даль-
нейших исследований.
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные в работе исследования позволяют
сделать следующие выводы:
– получены значения среднего электрического
поля в положительном столбе газового разряда, ста-
137
Рис.6. Структура поверхности алмазной пленки,
полученная в смеси рабочего газа H
2
+CH
4
.
Толщина ПАП 40 мкм, увеличение 4000 раз
Рис. 7. Структура поверхности алмазной пленки,
полученной в смеси рабочего газа H
2
+Ar+CH
4
.
Толщина ПАП 20 мкм, увеличение 3000 раз
билизированного магнитным полем, и сумма анод-
ного и катодного падений потенциала для смеси во-
дорода с различными газами, используемыми для
синтеза ПАП;
– показано, что для большинства газовых смесей
катодное падение потенциала составляет 400…
700 В, что обеспечивает высокую плотность тока до
1 А/см2 в данном разряде;
– добавление в водород аргона заметно уменьша-
ет катодное падение потенциала до 100 В (при
сохранении плотности тока до 1 А/см2). Это опреде-
ляет регистрируемые низкие значения разрядного
напряжения в водородо-аргоновых смесях;
– предложена классификация исследованного
тлеющего разряда, стабилизированного магнитным
полем, в зависимости от величины флуктуации раз-
рядного напряжения U
U~ . При U
U~ <0,08 разряд по
своим характеристикам является «нормальным».
При U
U~ >0,08 разряд можно считать
«аномальным»;
– из анализа относительных интенсивностей ли-
ний вращательной структуры системы Фулфера мо-
лекулы водорода определена температура газа ТГ в
токовом канале, которая составила ТГ≈3400оС;
– добавление аргона в рабочий газ приводит к за-
метному уменьшению размеров кристаллов алмаза
до нескольких сотен ангстрем по сравнению с син-
тезом ПАП из водородо-метановой смеси при всех
прочих равных условиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. V.K.Pashnev, O.A.Opalev, V.E.Strelnitskiy, V.A.-
Belous. Some features of direct current glow dis-
charge in a transversal magnetic field for diamond
film deposition. //Proceedings of 4th International
Symposium on Diamond Films and Related Materi-
als. Kharkov, Ukraine, 1999, September 20-22, p.
18–22.
2. В.К.Пашнев, О.А.Опалев, И.И.Выровец, В.И.-
Грицына, В.А.Белоус, В.Г.Коновалов, А.Н.Ша-
повал, Ю.Ф.Шмалько, А.И.Ивановский. Спек-
тральные исследования тлеющего разряда, ста-
билизированного магнитным полем //Сборник
докладов 12-го международного симпозиума
«Тонкие пленки в электронике». 2001, 23-27 ап-
реля, Харьков, с.87–90.
3. V.K.Pashnev, V.E.Strelnitskiy, O.A.Opalev, I.I.Vy-
rovets, V.A.Belous, Z.I.Kolupaeva, Yu.F.Smalko.
A highly effective set up for the diamond coating
deposition //Proceedings of the Sixth Applied Dia-
mond conference /Second Frontier Carbon Tech-
nology Joint Conference (ADC/FCT 2001).
Auburn, Alabama, USA, 2001, p.327–332.
4. Ю.П.Райзер. «Физика газового разряда». М.:
«Наука», 1987.
5. Б.П.Лавров. Электронно-вращательные спектры
двухатомных молекул и диагностика неравно-
весной плазмы /Сб. «Химия плазмы», под ред.
Б.М.Смирнова. 1987, вып.11, с.45–92.
6. Y.Yokota, Y.Ando, T.Tachibana, A.Watanaba et.
al. Morphological control of diamond films in a
60 kW microwave plasma CVD reactor //Proceed-
ings of the Sixth Applied Diamond conference /Sec-
ond Frontier Carbon Technology Joint Conference
(ADC/FCT 2001). Auburn, Alabama, USA,
2001, p.322–327.
138
В работе приводятся результаты исследования параметров тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, предназначенного для синтеза алмазных покрытий из газовой фазы при использовании различных рабочих газов. Показано, что в таких разрядах катодное падение потенциала достигает 700 В, что заметно превышает характерные катодные падения потенциалов в разрядах без магнитного поля. Добавление аргона в рабочую газовую смесь снижает катодное падение потенциала до 100 В. Показано так же, что алмазные покрытия, получаемые в смеси рабочего газа H2+Ar+CH4, имеют размер алмазного зерна 40…50 нм, а в смеси рабочего газа H2+CH4 размер зерна достигает 20 мкм при прочих равных условиях синтеза алмазного покрытия.
|