Электронно-лучевой синтез кремний-углеродных покрытий с использованием форвакуумного плазменного источника электронов

Кремний-углеродные покрытия (или пленки) –пленочные структуры, в состав которых входят атомы кремния и углерода. Кремний-углеродные покрытия представляют интерес для исследований и внедрения благодаря широкому диапазону свойств, таких как химическая и тепловая стойкость, высокий модуль Юнга, низкий коэффициент теплового расширения, твердость, высокая износостойкость. Они, как правило, имеют низкий коэффициент трения, что необходимо для применения в различных движущихся механизмах, поэтому кремний-углеродные покрытия используют в качестве защитных покрытий режущих инструментов, жестких дисков, микро-электромеханических систем. В настоящее время существует несколько способов получения кремний-углеродных покрытий. В «плазмохимическом осаждении на постоянном токе» (DC PECVD), покрытие формируется на поверхности подложки, помещенной в реактор, куда подаются пары прекурсора. Преимущество такого метода – хорошая однородность по толщине слоя, благодаря комбинации низкого давления в реакторе и относительно низких температур процесса. К недостаткам процесса можно отнести сравнительно высокую стоимость процесса, загрязнение осаждаемых покрытий продуктами реакций и сильное взаимодействие плазмы с растущей пленкой, в связи с чем требуется тщательная отладка реакционной установки. Метод "высокочастотного плазмохимического осаждения (RF PECVD)" заключается в разложении кремний-углеродных жидкостей в плазме тлеющего разряда до образования активных компонент с дальнейшим их осаждением на подложку. ВЧ плазма играет роль виртуального анода. Подложки в таком процессе окружены слоем пространственного заряда, который инициирует ионную бомбардировку покрытия в процессе его осаждения. Достоинство такого метода –возможность нанесения покрытий на диэлектрические подложки, поскольку заряд не скапливается на их поверхности, однако проблема нанесения покрытий на большие площади до сих пор не решена. Одним из перспективных методов нанесения кремний-углеродных покрытий может стать электронно-лучевое испарение твердотельного карбида кремния (SiC) с последующим осаждением его паров на подложки в среде реакционных газов. Вместе с тем, следует учесть, что удельное сопротивление материала, спеченного из порошка карбида кремния, достигает 10^11 Ом*см. Это может приводить к появлению значительного отрицательного потенциала на мишени при облучении электронным пучком. В известных работах по электронно-лучевому испарению для снижения потенциала используют предварительный нагрев мишени до температуры 1000 оС, что усложняет технологический процесс. Кроме того, при получении кремний-углеродных слоев, как правило, используют кислородные добавки, что при использовании термокатодных пушек создает дополнительные трудности, связанные с защитой катода. Существенно иной результат достигается с применением форвакуумных плазменных источников электронов, разработанных в лаборатории, сотрудниками которой являются авторы настоящего проекта. Такие источники позволяют получать электронные пучки в диапазоне давлений 1-50 Па. Это обстоятельство коренным образом меняет ситуацию, поскольку электронный пучок создает в области транспортировки достаточно плотную плазму, ионы которой нейтрализуют заряд, приносимый электронным пучком на поверхность диэлектрической мишени. Предварительные эксперименты по осаждению кремний-углеродных покрытий электронно-лучевым испарением карбида кремния показали целесообразность использования такого подхода, обеспечивающего при практически тех же свойствах и параметрах покрытий существенно более высокие скорости их осаждения. Цель настоящей работы состоит в создании научных основ новой технологии нанесения кремний-углеродных покрытий, основанной на электронно-лучевом испарении карбида кремния в среде реакционных газов с использованием форвакуумного плазменного источника электронов, и достижении параметров таких слоев, наиболее полно удовлетворяющих требованиям их применения в качестве упрочняющих покрытий.