Экспериментальное исследование расширения пара магния в вакуум тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

РГ8 ОД

] О российская академия ндук

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 535.423.1+536.411 +533.5+539.216

Золкин Александр Степанович

--

-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСШИРЕНИЯ ПАРА МАГНИЯ В ВАКУУМ -

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 1993

Работа выполнена в Институте теплофизики СО РАЛ

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук,

профессор К.П.Куценогий

доктор физ.-мат. наук, Р. Г. Шарафу тд!шов.

Ведущая организация - Физический институт РАН

[ Л/В¿¿сс&я- /9$3? в $ час 01

Защита состоится сО€/ ¿/ь-ь-сл*'»- / * г в ^ час л/*-/ мин. на заседании специализированного соеэтэ К 002.65.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте теплофизики СО РАН (630090, г.Новосибирск-90, проспект Академика Лаврентьева,'!)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН

Автореферат разослан ^'<^^""1933 г.

/ Ученый секретарь специализированного совета К 002.65.01 доктор технических наук

С. Лли-ллс^ В.Н.Ярнпш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Физика кластеров является ковоЗ, интенсивно развивавшейся областью знаний. Неизученные фазические свойства ультрамалых частиц (кластеров), занимающих промежуточное место мецду изолированными атомами и массивным тверда телом, а такие необходимость, глубже понять сущность механизмов конденсации паров веществ, катализа, фотопроцессов стимулируют исследования по формированию кластерных потоков, в частности, создание источников кластеров. В связи с этим развитие методов получения кластерных частиц является задачей актуальной, и от ее решения в значительной мере зависит развитие новых направлений в физике, химии, материаловедении. Метода, основанные на конденсации паров при их истечении в разрешенное пространство, в настоящее время рассматриваются как - перспективные. Именно эти методы дают возможность изучать 1сластеры "в свободном состоянии" и использовать кластерные потоки, в частности металлические, для новых технологий (нанотехнологий).

.Лри реализации научных или технологических целей особое внимание уделяется источникам паров. Интерес к источникам паров металлов объясняется их широким использованием в фундаментальных и прикладных исследованиях с атомными пучками. Они применяются в установках термоядерного синтеза' при создании парометаллических ■мишеней - нейтрализаторов, где особое внимание сосредоточено на струйных парометаллических источниках, в' технологиях интенсивного нанесения покрытий и т.д. В связи с начавшимися исследованиями физики кластеров появилась потребность в источниках паров металлов, надежность которых не уступает широко применяемым газовым.

С 1572 года ионизированные кластерные пучки используются для синтеза высококачественных тонких ■ пленок для микроэлектроники. Учитывая большое прикладное значение данного метода, в различных научных центрах интенсивно исследуются различные его стороны: формирование пучков с кластера',и заданного размера, взаимодействие кластеров с заряженными частицами и т.д. Одна из целей таких работ - выяснить роль кластеров в процессе формирования.тонких пленок.

Среда проблем, возникающих при использовании метода, основной, на наш взгляд, является проблема формирования, генерации кластеров в расширяющихся в вакуум штоках паров металлов. В настоящее- время информация о концентрации и размерах металлических кластеров в

потоке пара противоречива и непонятна. Данные о кластерах, сообщаемые различными научными группами, отличаются на несколько порядков при одних и тех ке параметрах расширения пара из . источника. Многое могло бы бить объяснено при использовании источников аналогичных используемым в физической газовой динамике. Эксперименты при строго контролируемых условиях расширения парометаллических потоков дадут возможность выявить возможную специфику образования металлических кластеров в сравнении с газовыми. 'Необходимость разрешения возникших противоречий - одна из движущих сил данного исследования.

ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

Цель данной работы состоит в получении новых экспериментальных данных о расппгоении пара магния в вакуум в диапазоне давлений пара

СГ

(1СКРо«ДО Па) в источнике и применешга полученных данных к задаче металлизации материалов. Цель достигается решением следующих задач:

1 - создание экспериментальной высоковакуумной установки для проведения исследований;

2 - создание и исследование высокотемпературного источника (То^2000 К) струй паров металлов; основное внимание мы уделили стабилизации параметров расширения пароматалличэсксй струп -давлению пара Ро в источнике и температуре расширения Го;

3 создание методик измерения основных характеристик источника паров металлов (массового расхода, интенсивности на оси);

4 - масс-спектрокетрическсэ исследование молекулярного состава магния, направленное на поиск генерации кластеров в потоке; Еыбор вещества объясняется его свойствами: возможностью проведения опыта в широком интервале давления, Р<,=10-1СГ Па при умеренней температуре То<Е550 К;

5 - разработка, создание и исследование ионизатора парометаллического потока для диагностики кластеров серебра и напыления пленок ионизированными частицами;

6 - электронно-кикросхопическое исследование пленок, полученных осаддением нейтральных частиц магния (кластэргс.-и и атомными частицами). Микроморфологический анализ поверхности.

В качества примера практического применения рэзультатов работы описан реализованный метод ионно-кластерпого напыления. Метод применен для формирования низкоомных контактов к высокотемпературным

з

сверхпроводящим пленкам У-Ва-Си-О.

Научная и практическая ценность подученных результатов

Полученные результаты важны, в первую очередь, для дальнейшего развития теории гомогенной конденсации паров металлов;

- они позволяют глубже понять условия формирования кластированных парометаллических пучков;

- созданный источник паров металлов шкет быть использован в физических исследованиях с атомными и кластерными пучками.

С практической точки зрения ценность результатов определятся тем, что:

- создан источник перегретых паров металлов, обеспечивающий высокие скорости напыления пленок;

- создана установка для напыления покрытий ионизированными кластерными и атомными пучками с энергией частиц до 10' кэВ (металлические пленки с высокой адгезией и высокой плотностью напыляемого вещества);

- разработаны основы технологии напыления электрических контактов к высокотемпературным сверхпроводящим пленкам (созданы структуры А£/УВаСи0/А120з; А^тааСиО/БгТ Юз с переходным контактным сопротивлением (А£/УВаСи0)<1СГ® 0м>см2).

Источник паров металлов защищен авторским свидетельством,-. напыленные контакты на ВТСП пленках прошли экспертизу в научном центре "Аттестат" института Атомной энергии им.Курчатова И.В.

Научная новизна работы:

- создана мэталлогазодиналическая установка, разработаны методики для исследования расширения паров металлов;

- впервые получены данные о концентраций атомов и кластеров при расширении пара магния в диапазоне давлений ИКРо^О5 Па пара в источнике;

- определена область начала гомогенной конденсации пара магния при расширении через звуковое сопло в вакуум; .

- выявлено, что пленки, напыленные кластерным пучком, обладают большей плотностью и ориентацией кристаллов по сравнению с пленками, напыленными атомными частицами.

Основные защищаемые положения:

- металлогазодинамическая установка, основной частью которой яаляется высокотемпературный источник перегретых паров металлов для проведения фундаментальных и прикладных исследований;

- экспериментальные данные о расширении пара магния, зарождении конденсированной фазы в штоке;

- реализованный метод напыления тонких пленок и покрытий ионизированными атомами и кластерами металлов.

Достоверность экспериментальных результатов • обеспечивается

использованием современных методов и техники физического эксперимента: V- масс-спектрометрии,

- фазочувствительного детектирования молекулярных пучков,

- электронной сканирующей (и просвечивающей) микроскопии,

- использованием стандартных средств измерений.

Представленные в диссертации исследования выполнены в лаб.теплофизики микродисперсных систем и. в • лаб.теплофизики высокотемпературной сверхпроводимости Института теплофизики СО РАН и являются составной частью НИР Института по темам: "Неравновесные процессы в потоках разреженного газа" (Гос.per. N 8I03Û083); "Исследование гидродинамики и теплообмена при конденсации, кипении, барботаже, кристаллизации" (Гос.per. N 81030077); "Неравновесные процессы и молекулярная газодинамика" (Гос.per.N 01.86. 0103354); "Исследование термодинамических и теплофизике ских свойств и материалов новой техники" (Гос.per. N 01.86.0170 109), а также Государственной программе по ВТСП.

Апробация работы. Содержание диссертационной работы отражено в 19 публикациях. Ее результаты обсуждались на Всесоюзном семинаре "Ультрадисперсные системы" научного совета АН СССР "Физика, химия и механика поверхности" (Москва, 1983), Первой Всесоюзной конференции "Физико-химия ультрадисперсных систем" (Москва, 1986), Сибирском теплофизическом семинаре "Физика кластеров в газовой фазе" (Новосибирск, 1987), Всесоюзной конференции по .динамике разреженных .газов (Свердловск, 1987)-, 4-ом Международном симпозиуме по малым частицам к неорганическим кластерам (Франция, 1988), Мёндународном семинаре вд динамике' разреженного газа - СССР- ФРГ (Новосибирск, 1988), Международной конференции "Сверхпроводимость-90" (Китай, Î989), Международной конференции "Второй конгресс по ВТСП" (США, 1990), Международной конференции "Высокотемпературная сверхпроводимость" . (ФРГ,' 1990)', Международной' • конференции "Конденсированные материалы?'. (Франция, 1?90), Всесоюзном семинаре ^ "Новые вакуумные методы получения тонких пленок и покрытий"

(Харьков, 1991), Всесоюзной конференции "Формирование вакуумных конденсатов" (Харьков, 1990).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 142 страницы основного текста, 62 рисунка, 2 таблицы. Список цитируемой литературы включает в себя 210 наименований. (¡^¿-и-» 2Ъ5

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ.РАБОТЫ

Во введении показана актуальйость исследований причин зарождения кластеров в парометаллических потоках. Показано, что в настоящее время есть противоречие в экспериментальных данных, относящихся к размерам и концентрации металлических кластеров в потоках паров металлов, расширяющихся в вакуум. Сформулирована цель диссертационной работы, направленная на исследование молекулярного состава пара магния при контролируемых условиях расширения. Определены основные задачи для ее достижения, перечислены выносимые на защиту положения, отмечена их научная и практическая ценность, дано краткое содержание работы.

Первая глава "Источники паров металлов для формирования атомных и кластерных пучков" - обзорного характера. Ее цель _ - анализ возможных причин низкой воспроизводимости результатов, относящихся к образованию кластеров в парометаллических потоках из источников с термическим нагревом.

Интерес к источникам паров металлов объясняется (раздел 1.1) их широким использованием при проведении фундаментальных и прикладных исследований в различных областях физики, химии и технологии. По мере развития, исследований с молекулярными и кластерными пучками возросла необходимость в высокоинтенсивных источниках, надежность которых не уступает известным газовым. В работе обращено. внимание на стартовые условия расширения парометаллического потока, которые определяются источником как первым, начальным элементом экспериментального исследования.

Рассмотрены особенности источников с термическим нагревом (раздел 1.2), где основное внимание уделено возможной роли заряженных частиц в образовании кластеров. Показано, что ионы могут образоваться в тигле поверхностной ионизацией, захватом атомами низкоэнергетичных термоэмиссионных электронов, ' столкновениями при

высоких температурах, ионизацией парового потока на выходе сопла высокоэнергетичными электронами, если используется электронный нагрев тигля или ионизация потока. Показано, что неконтролируемые заряженные частицы могут существенно влиять на зарождение конденсата в парометаллических источниках.

Одна из причин, затрудняющих изучение образования кластеров в чистых парах металлов при их расширении в вакуум и объяснение полученных результатов, заключается в использовании источников с трудно контролируемыми условиями расширения. В связи с этим рассмотрены требования.к источникам паров металлов (раздел 1.3).

В разделе 1.4 описаны известные источники паров металлов, непрерывного и импульсного действия с термическим нагревом, использующиеся в физике, химии и технологии. Течение пара через сопло в вакуум происходит, как правило, в режиме, близком к сплошному. Максимальная температура и давление пара: То~2000 К, Ро~Ю5 Па. По конструктивным признакам источники разделены на однотемпературные и двухтемпературные. В последних сопло имеет дополнительный нагреватель для перегрева пара. Отмечается, что использование двухтемпературннх источников позволяет управлять металлогазодиначическим потоком, получать большую стабильность параметров и воспроизводимость результатов.

Рассмотрены (раздел 1.6) особенности формирования ыеталлогазо-динамических потоков: скиммерное взаимодействие и рассеяние на остаточном газе, которые необходимо учитывать при формировании металлических атомных и кластерных пучков. ' Приведены данные о характеристиках газовых штоков, необходимые в исследованиях и технологиях (раздел 1.7).

Во второй главе "Источник пара магния для исследования конденсации в струе и на поверхности" описана (раздел 2.1) созданная вакуумная металлогазоданамическая установка (рис.1) и ее основной элемент - источник перегретых паров металлов (раздел 2.2). Подробно описана схема источника с термическим нагревом (рис.2; 3) и его конструкция. Особеннстьа источника является возможность управлять параметрами расширения (Ро, То) пара металла в разреженное пространство. Источник позволяет исследовать потоки при расширении перегретого, насыщенного и пересыщенного паров металла в вакуум. Особенностью конструкции являются нагреватели, выполненные в виде коаксиальных цилиндров из тантала. Внутренний излучающий

элемент имеет минимальный градиент температуры по высоте, что ■ обеспечивает, равномерный нагрей .тигля и перегревателя пара с соплом.

В разделе 2.3 описываются методики исследования основных характеристик источника. Полный расход и интенсивность пучка на оси измерялись взвешиванием конденсата магния, осажденного в полость металлического стаканчика (рис.4,5,6).. Скорость напыления (рис,6) измерялась кварцевыми микровесами: со специально разработанным прогреваемым датчиком, обеспечивающим коэффициент конденсации равный. единице. Учитывая - трудности, проведения исследований с высокотемпературными потоками и в связи с отсутствием в литературе подобной информации,'.отдельно (раздел 2.4) и достаточно подробно описаны методические особенности при работе с Источниками паров металлов на примере опыта работы с источником пара магния. Показано, что разъемные соединения, часто используемые в. испарителях источников, могут быть негерметичны во время проведения опытов в связи со сложным поведением, конструкционных материалов при высоких температурах. Исследовано влияние неизотермичности тигля с расплавом на измерение плотности атомного пучка . и показано, что неизотермичность существенно усложняет объяснение полученной информации об атомном пучке. Описан тщательно термостатированный источник. Исследовано влияние источника нагрева на. массовый спектр. Рассмотрены особенности измерения температуры тигля с расплавом ввиду необходимости получения точной ' информации о температуре расплава в высокотемпературных источниках, так как давление пара в испарителях металла определяется по ,' его температуре. В исследованиях с атомными пучками или в технологиях молекулярно-пучковой эпитаксии данные вопросы являются важными в связи с высокими требованиями к точности результата.

На основе полученных данных определено ■ время непрерывной работы источника: при Ро^О3 Па 50 часов при Ро=105 Па - часа.

Экспериментально определенные величины расхода, и интенсивности, совпадают с рассчитанными с точностью *10% и 50% соответственно. Интенсивность атомного пучка на оси струи (100 мм от сопла; <1^=0,4 мм; Ро«10? Па) ^»Ю20 атом/м2-с .

В третьей главе "Масс-спекгроме трическое исследование расширения пара магния в вакуум" представлены результаты измерения молекулярного состава паровой струи магния при ее расширении через

звуковое сопло в разреженное пространство. Основное внимание уделено стабилизации параметров расширения парометаллического потока - давлению пара Р<> в источнике и температуре расширения Тс В связи с тем, что внимание исследователей сосредоточено на выяснении причин регистрации кластеров при низких давлениях в источнике (Ро«400 Па), измерению в этом диапазоне давлений уделено особое внимание. Исследование проведено методом молекулярного пучка (рис.7) с использованием монополярного масс-спектрометра МК-7304 (240 а.е.м.). В области низких давлений для измерений использован фазочувствительный метод детектирования с целью повышения чувствительности при возможной регистрации кластеров в области Ро^Ю^-ЫО3 Па. Расширение пара магния происходило из состояния насыщения и с перегревом пара, когда температура перегревателя поддерживалась постоянной То~1350 К. Результаты измерений выявили изменение сигнала (плотности) атомного пучка в области фазового перехода (твердое - жидкоай, рис.8. Исследование этой особенности позволяет утверждать, что данное изменение связано с влиянием пленок химических соединений на поверхности расплава в тигле и не имеет отношения к изменению' структуры потока в результате, например, гомогенной конденсации в потоке.

Наиболее интересной областью давлений оказалась область ЛРомЮ^-ЫО^ Па. Здесь зарегистрированы димеры и кластеры магния с №$10 атом/кластер. При расширении- насыщенного пара температура сопла строго поддерживалась не более, чем на 5 К выше относительно температуры тигля. При расширении перегретого пара температура сопла была постоянной, То=1350 К. Установлено, что для обоих режимов расширения область появления (регистрации) дилеров довольно узкая: от 4-Ю3 до 10^ Па. Замечено, что при понижении давления пара в тигле димеры "исчезают" при большем давлении в. сравнении с их "появлением", что связывается с возможным изменением чувствительности детектора. В момент регистрации дю-таров всегда наблюдали изменение наклона зависимости атомной компоненты от давления Ро. Характерно, что рост сигнала дикеров существенно превосходит рост атомного компонента в пучке. .Магний состоял из изотопов 2*Щ, гс%, поэтому в образовании димеров

участвовали все изотопы, рис.9. Соответственно и для кластеров больших«размеров.

Кластеры магния М®* (N=3^-10) измерены в области Ро=5-7-10^ Па.

Кластер следует сразу же за и т.д. Область регистрации Цс^ - Mglo настолько узкая, что можно говорить о спонтанном образовании кластеров, спонтанной конденсации в потоке, характерной для гомогенного образования конденсата (рис.10). Воспроизводимости и повторяемости результата уделено особое внимание, поэтому автор считает данные новые результаты твердо утановленным фактором. Нет ясности в причине поведения, рис.10, мономерного компонента в момент появления димеров магния в потоке. Единственное объяснение -скиммерное взаимодействие - должно быть подвергнуто проверке,, так как специально не исследовалось.

Основным результатом работы является информация о зарождении новой фазы (конденсата) в струе пара магния, расширяющейся в вакуум. В настоящее время информация о зарождении кластеров металлов при расширении чистых паров противоречива. В этом смысле данные автора также отличаются от известных результатов, например, Т.Такаги с соавторами 111, где зафиксированы большие кластеры с И~103 атом/кластер. Однако в приведенных ими данных, касающихся размеров кластеров, наряду с большими кластерами, присутствуют кластеры и атомных размеров N«2-50. Акцент на больших кластерах делается только в связи с технологическими преимуществами кластерного метода напыления. Кластеры атомных размеров являются естественными спутниками крупных в данных результатах И ]. Поэтому регистрация малых мастеров может являться достаточной для диагностики крупных.

Утверждение авторов, что кластеры образуются в результате гомогенной конденсации в расширяющемся потоке пара металла при низких давлениях Ро~1024-1с£ Па, автор подвергает сомнению. На основе тщательного анализа работ других авторов и результатов данной работы автор считает, что регистрация кластеров в потоке в работе Е1] могла быть: I - при существенно большем давлении пара в тигле, что, возможно, связано с методическими ошибками в измерении температуры; 2 - при использовании сложного канала - сопла, которое способствует увеличению частоты столкновений атомов при истечении в вакуум; 3 - в результате конденсации пара внутри испарителя при охлаждении (пересыщении) пара на выходе сопла (неизотермичность тигля); 4 - в результате образования кластеров на заряженных частицах внутри испарителя. Вторая и третья причины представляются наиболее вероятными.

На основе разработанных О.Ф.Хагеной законов подобия для расширяющихся в вакуум струй паров веществ в [2] был сделан расчет условий начала гомогенной конденсации для описанных экспериментов. Вычисленный масштабный параметр Г*=528 соответствует гомогенной конденсации в потоке (200<Г*<1000). Согласно теории, в диапазоне Ро=5>10 -Ю"* возможна именно гомогенная конденсация в потоке. Таким образом, есть основание считать, что для начала гомогенной конденсации в пароме таллических потоках необходимы существенно большие давления пара в сравнении с рекомендуемыми авторами ионно-кластерного метода.

В разделе 3.6 представлен результат сравнительного микроморфологического исследования поверхности пленки магния, напыленной кластерным и атомным потоками на монокристалл кремния. Режимы напыления определены масс-спектрометрическим исследованием молекулярного состава расширяющейся струи: для кластеров Ро»1,2• 10^ Па (910 мл.рт.ст.), для атомных частиц - Ро«2,3-10^ Па (170 мл.рг.ст.). Выявлено существенное улучшение качества поверхности напыленной пучком, содержащим кластеры: поверхность гладкая, текстурированная с ориентиров энными гексагональными микрокристалламн, рис. II. При напылении атомным пучком поверхность дисперсная, из разориентированных микрокристаллов.

В четвертой заключительной главе "Ионно-кластерный метод формирования низкоомных контактов к ВТСП пленкам" описан реализованный ионно-кластерный метод металлизации материалов и его применение для формирования низкоомных серебряных контактов к Y-Ba-Cu-О пленкам. Схема метода совпадает с известной схемой ICB.

В разделе ' 4.1 обоснована необходимость поиска методов формирования низкоомных контактов на ВТСП материалах. Рассмотрены (раздел 4.2) преимущества ■ ионно-кластерного метода в технологии получения тонких пленок и, в частности, металлических. В основе метода лекит образование кластеров (частиц конденсата) при расширении пара вещества, их ионизация, ускорение в электрическом поле ■ и осаждение на поверхность подложки. Особенность метода заключается в том, что часть массы вещества осаждается в виде кластеров, являющихся готовыми центрами зародкшеобразования растущей плешей. Наличие в потоке кластеров явлйется отличительным признаком данного метода от традиционно используемых. Возможность управления энергией ионизированных атомов и кластеров ■ в широких

пределах (10 кэВ и выше) отличает ионно-кластерный метод от плазменных, включая магнетронный. Отмечается, что воздействие нейтральных и ионизированных кластеров на растущую поверхность в процессе роста пленки сопровождается рядом физико-химических явлений: I - образованием искусственных (неравновесных) центров нуклеации и их активацией; 2 - повышенной поверхностной диффузией, миграцией адсорбированных кластеров и атомов; 3 1 - очисткой поверхности быстрыми частицами; 4 - усилением химических реакций между осаждаемым веществом и подложкой; 5 - имплантацией быстрых осаждаемых частиц в материал подложки, что существенно увеличивает адгезию напыляемых слоев; 6 - прогревом и активацией поверхностного слоя, что исключает разрушение глубинных слоев, уменьшает изменение стехиометрического состава вещества подложки. В результате ионно-кластерный метод позволяет получать тонкие пленки и покрытия: 1-е высокой адгезией; 2-е плотностью упаковки атомов, приближающейся к плотности чистых материалов; 3 - в виде сверхтонких, порядка монослоев, сплошных пленок.

В разделе 4.3 рассмотрены особенности свойств поверхности ВТСП пленок, касающиеся задачи формирования контактов, описан результат Оже-анализа поверхностного слоя, рис.12, и показано, что деградированный слой имеет толщину до 20 нм и сложным образом зависит от предыстории пленок, в том числе от условий синтеза (раздел 4.4).

В разделе 4.5 представлено экспериментальное оборудование и методики измерений. Описан источник пара серебра с коническим сверхзвуковым соплом (29=20°, 1=6 мм, й*=0,4 мм). Конфигурация сопла объясняется необходимостью увеличить частоты столкновений атомов при расширении пара с целью формирования кластеров в потоке [3]. Описана схема, рис.13, эксперимента по регистрации кластеров серебра в потоке, основанная на анализе заряженных частиц по энергии.

Для ионизации потока и диагностики частиц создан ионизатор-электронная пушка с радиально сходящимся лучом. Исследованы его основные характеристики. Основываясь на зависимостях ионного тока от потенциала выталкивающей сетки, рис.14, при различных давлениях остаточной атмосферы вакуумной камеры и распределениях по энергии заряженных частиц, рис.15, экстрагированных из области ионизации, определена приближенно глубина потенциальной ямы (Дф) в области

пространственного заряда при известных режимах работы ионизатора: ^=60 та, Ее=160 эВ, Аф<*-5 В. В режиме молекулярного пучка измерено распределение ионизированных частиц серебра по энергии, рис.16; без пучка ионный ток на зарегистрирован. Показано, что ионизатор с пространственным зарядом является фильтром заряженных частиц. Ионизированные частицы могут выйти' из области ионизации при условии, если МУ2/2>ге-Аф, где М - масса, V - скорость, Ъ -кратность ионизации, е - заряд частицы, а Аф глубина

потенциальной ямы пространственного заряда электронов в области ионизации. Прошедшие ионизатор высокоэнергетичные . частицы отождествляются с кластерами в потоке согласно общепринятым представлениям об ионно-кластерном методе. Автором зарегистрированы высокоэнергетичные частицы, но для однозначного утверждения их соответствия кластерам необходимы дополнительные исследования. В эксперименте при расширении пара из источника, когда Ро~500 Па, АТ«150 К, размер кластеров N»100 атом/кластер. При этом Ее«160 эВ, «Т«»«60 ша, давление в вакуумной камере Р<*10~^ Па.

Контакты напыляли, рис.1, в вакууме Р«10"3-гЮ"^ Па на пленки ВТСП У-Ва-Си-О, полученные лазерным способом. Скорость напыления »100 нм/мин. С целью выяснения преимуществ ионно-кластерного метода контакты напыляли потоками, содержащими: I - нейтральные частицы; 2 - ионизированные (без ускорения); 3 - ускоренные ионизированные частицы. Температура пленок (нагревателя подложек): 300, 373, 473 К. В процессе методических опытов установлено, что нагрев до 473 К пленок ВТСП в вакууме на подложках АЬОз приводит к деградации их сверхпроводящих свойств. Контактное удельное поверхностное сопротивление измерялось стандартным четырехзондовым методом после напыления и • после отжига в атмосфере кислорода - при различных температурах, табл.1. Адгезия оценивалась: скрайбированием иглой, трением, термоударом (специальные исследования не проводились).

В результате, установлено (раздел 4.6), что адгезия контактов улучшается при напылении ускоренными ионизированными частицами. При напылении частицами без ускорения адгезия контактов, как правило, неудовле творительная.

В описанном эксперименте контактное сопротивление существенно (более, чем на порядок) уменьшалось при напылении ионизированными ускоренными частицами энергией <«2 кэВ. Следует отметить, что дальнейшие эксперименты выявили сложную зависимость сопротивления

контактов от энергии. Минимальное, полученное в опытах, сопротивление после отжига образцов <«7-10"^ Ом-см2, табл.1.

Проведено исследование степени покрытия серебром поверхности ВТСП пленки при помощи электронной сканирующей микроскопии- съемки во вторичных (SE-метод) и обратно рассеянных (BSE) электронах под различными углами падения электронного пучка с использованием анализатора . изображения. Показано, что плотность серебряного покрытия высокая.

В заключении сформулированы основные результаты работы и возможные направления исследований, одно из которых - роль заряженных частиц в образовании кластеров в пароме таллических потоках.

Основные результаты работы.

1. Для проведения исследований с парометаллическими потока?,® разработано и создано следующее экспериментальное оборудование:

- экспериментальная высоковакуумная установка;

- высокотемпературный (Т^2000 К) источник паров ' металлов с управляемыми параметрами расширения (перегревом пара) для исследования конденсации в струях и на поверхности;

- ионизатор (электронная пушка с радиально сходящимся цучком) молекулярного пучка для исследований гетерогенной конденсации заряженных частиц;

- анализатор энергий заряженных частиц в потоке;

- нагреватель подложек для исследований конденсации на поверхности.

2. Экспериментально реализованы методики:

- масс-спектрометрического измерения молекулярного состава металлического пара при расширении в'вакуум;

- измерения полного расхода и удельного штока через сопло взвешиванием;

- измерения интенсивности и скорости напыления кварцевыми микровесами;

- измерения энергии заряженных частиц в молекулярном пучке серебра электростатическим анализатором энергий;

- фазочувствигельного детектирования молекулярного пучка магния в области малых давлений пара в источнике.

3. Впервые проведено экспериментальное исследование молекулярного состава пара магния при его расширении в вакуум в

диапазоне давлений KKPoiIO Па и'установлены режимы, при которых в

«

потоке зарождается конденсированная фаза, кластеры (масс-спектрометрия).

4. Впервые получена информация о форме поверхности пленки, напыленной кластерным пучком металла (магний) на монокристаллы (кремний). Установлено, что пленки, напыленные кластерным пучком, обладают большей плотностью и ориентацией кристаллов по сравнению с пленками, напыленными атомными частицами.

5. Разработаны и использованы:

- метод иснно-кластерного напыления для формирования серебряных ' низкоомных контактов на ВТСП пленках Y-Ba-Cu-O;

- использована методика электронной сканирующей микроскопии -съемка во вторичных и обратно рассеянных электронах с целью определения степени заполнения (покрытия) поверхности ВТСП серебром.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО TBÎE ДИССЕРТАЦИИ

1. Золкин A.C., Леманов В.В., Гайский Н.В. Получение струи пара магния // Физическая гидродинамика и тепловые процессы: Новосибирск МТФ СО АН СССР, 1980. С. 123-128.

2. Бочкарев A.A., Гайский Н.В., Золкин A.C., Леманов В.В., Пономарев А.Н. Конденсация пара'магния при расширении в вакуум и на поверхности. // Фазовые переходы в чистых металлах и бинарных сплавах, Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1980. С. 133-145.

3. Бочкарев A.A., Золкин A.C., Шухов Ю.Г. Гомогенная конденсация пароз металлов при струйном расширении в вакуум. // Известия Сибирского отделения Академии наук СССР. Сер.тех.наук, 1987, выл,5. С.76-81.

4. Бочкарев A.A., Золкин A.C., Шухов Ю.Г. Экспериментальное исследование конденсации пара магния при струйном расширении в вакуум // Кластеры в газовой фазе: Сб.науч.тр. АН СССР Сиб.отд-ние, Ин-т теплофизики / Под ред. А.А.Вострикова и А.К.Реброва. Новосибирск, 1987. С.61-65.

5. Золкин A.C., -Смирнов Б.М. Образование структур при конденсации кластеров // Физика мастеров в газовой фазе: Тез.докл. XXV Сибирский Теплофизический семинар. Новосибирск, 1987. С.

6. Бочкарев A.A., Золкин-A.C., Шухов Ю.Г. Гомогенная конденсация

пара магния при расширении в вакуум. Тез.докл. на IX Всес.конф. по динамике разреженных газов, Свердловск, 1987, т. 2, с.19.

7. Bochkarev A.A., Zolkln A.S., Shukhov Yu.G. Homogeneous condensation of metal vapour at Jet expansion to vacuum // Book of Abstracts: ISSPIC IV, 1938, July, Ar(F). P.198.

8. ZolklnA.S., Shukhov Yu.G. Clusters of Magnesium from pure vapour expansions. - Novosibirsk, 1992. - 34 p. (Preprlnt/RAS. Inst, of Thermophysics; N 263-92).

9. Золкин А.С., Шухов Ю.Г. Исследование источника ионно-кластерного напыления // Тез.докл. Всесоюзного семинара "Новые вакуумные методы получения тонких пленок и покрытий". • - Харьков, 1991, с.27.

10. Золкин А.С., Шухов Ю.Г. Масс-спектрометрическое исследование расширения пара магния в вакуум // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-физические исследования (теория и эксперимент). 1992. Вып.1(22). С.46-51.

11. Золкин А.С. Источники паров металлов для научных исследований и технологий: Обзорно-информационный материал. Новосибирск / РАН Сиб. отд-ние. Ин-т теплофизики, 1992. 75 с.

12. Zolkln A.S., Shukhov Yu.G. Magnesium clusters from nozzle expansion. Book of Abstracts. 12-th Intern. Vacuum Congress. 8-th Intern. Conference of Solid Surface. 1992, The Hague, the Netherlands.

13. Варламов Ю.Д., Врацких В.Ф., Золкин А.С., Предтеченский М.Р., Смаль А.Н., Турбин А.В., Шухов Ю.Г. Низкоомные металлические контакты к YBaCuO пленке. // Вторая Всесоюзн. конф. по ВТСП, Киев, 1989. Т.З. C.I69.

14. Варламов Ю.Д., Врацких В.Ф., Золкин А.С., Предтеченский М.Р., Смаль А.Н., Турбин А.В., Шухов Ю.Г. Низкоомные, металлические контакты й YBazCuaOr-,-. пленке. // Письма в ЖТФ, 1990 Т. 16, вып.6. С.76-78.

15. Predtechensky M.R., Shukhov Yu.G., Smal' A.N., Turbin A.V., Varlamov Yu.D., Vratsklkh V.F., Zolkln A.S. ICB method for production for resistance' contact to YBaCuO thin films. // Intern, coiif. on Superconductivity. Book of Abstract, India, 1990.

16. Кожин A.B., Золкин А.С., Шухов Ю.Г., Предтеченский М.Р., Смаль А.Н. Металлизация Y-Ba-Cu-О пленок ионно-кластерным методом,

стимулированная ионным облучением. // Тез. докл. Всесоюзн. семинара "Новые вакуумные методы получения тонких пленок' и покрытий". - Харьков, 1991. С.28.

17. Кожин А.В., Золкин А.С., Шух.ов Ю.Г., Смаль А.Н. Металлизация Y-BA-Cu-О пленок ионно-кластерным методом, стимуллированная ионным облучением // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-физические исследования (теория и , эксперимент). 1992. Вып.1(22). С.52-54.

18. Zolkln A.S., Kozhln A.V., Shukhov Yu.G. Low résistance contacts applied to Y-Ba-Cu-0 illms through the déposition of higii-energy sllver particles. // Superconductivity 5(2), 1992, P.33T-340.

19. Золкин A.С., Кожин A.В., Шухов Ю.Г. Низкоомные контакты к Y-Ba-Cu-О пленкам, полученные осаждением высокоэнергетичных частиц серебра // Сверхпроводимость: физика, химия,- техника. 1992. Т.5, N 2. С.340-343.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ' •

1. Takagi T. Ionized cluster beem (ICB) déposition and processes // Pure Appl.-Cïiem. 1988. Vol.60, N 5. P.T81.

2. Хагена О.Ф. Частное сообщение..

3. YangS.N., Lu T.M. Control of" clustër size in nozzle Jet expansion // J. Vac. Sci. Technol- В, 198?, y.5(1). P.355-362.

Рис.1. Схема экспериментальной установки.

Вакуумная камера - I; диффузионный насос - 2 с наливной азотной ловушкой--.3; криогенный насос (жидкий азот) - 4; масс-спектрометр - 5; источник-пара металла - 6; прерыватель струи - 7; скиммер - 8; держатель подложки - 9; источники питания нагревателей высокотемпературного испарителя - 10; напуск воздуха через фильтр -- II; клапан для "газового промывания" камеры - 12.

Рис.2. Схема источника паров металлов: тигель - I; перегреватель пара-- 2; паропровод - 3; нагреватели - 4 радиационные экраны - 5; струя пара - 6; термопары для измерения температуры сопла - Ti, тигля - Т3 ; Т, ; Т5.

Рис.3. Общий вид источника металлических, паров

Рис.4. Схема измерения массового расхода пара магния из источника (а) и его интенсивности (б). Молекулярный пучок пара магния - I; коллиматор - 2; съемная диафрагма с осажденным на ней конденсатом магния - 3; диафрагма . - 4; металлический стаканчик - 5; конденсат магния '- 6; сопло источника - 7; паровой поток - 8; термопары для контроля температуры держателя - Т.

Рис.5. Интенсивность (ри) центральной части струи Молекулярный пучок) в зависимости от давления пара в испарителе

Рис.6. Расход (в) пара магния через сопло, скорость напыления (Ун) в зависимости от давления пара в источнике Ро

Рис.7. Схема проведения эксперимента. Источник пара металла -I; термопара для измерения температуры сопла - Т; прерыватель парового потока - 2; скиммер - 3; медная пластина - 4; азотная ловушка - 5; патрубок для вакуумной откачки-6; область ионизации-7; масс-спектрометр-МС, кауод-К. Диаметры отверстий Ф, мм: Ф1=2; Фг=12; Фз=1,5; Ф.»-дааметр сопла=0,4 мм.

Рис.8. Плотность атомного пучка I (Мд) при различном давления Ро пара в области фазового перехода . магния в ткглз. Расширение насыщенного пара. Величины сигналов 1(%) при давлении Ро=Р1 совпадают. Зависимости разнесены по оси ординат для удобства

Рис.9. Масс-спектры изотопов и изотопосодержащих дилеров магния. То=П90 К, Ро~17700 Па, Тт=Тс

Рис.10. Сигнал масс-спектрометра I (Мб) при измерениях в молекулярном пучке атомов - I, димеров - 2, кластеров - 3

Рис.11. Поверхность пленки магния. Напыление кластерным пучком - а; напыление молекулярным пучком, содержащим атомы и димеры от атомов) - б. Увеличение 45000х. Сканирующая

электронная микроскопия, Р111рз

Рис.12. Распределение элементов по глубине в пленке (относительное поведение концентраций). Глубина анализа до 1900 А. Оке-спектроскопия

Рис.13. Схема проведения эксперимента. Источник пара серебра - I; ионизатор - 2; анализатор энергий - 3; коллектор ионов -4. Над соплом стрелками обозначен прерыватель пучка

Рис.14. Зависимость тока ионизированных частиц из ионизатора от тока эмиссии катода при различных потенциалах выталкивающего электрода

Рис.15. Распределение по энергии ионизированных молекул атмосферы вакуумной установки при различных потенциалах выталкивающего электрода - сетки и токах эмиссии катода. А -и(выт.)=Ю в; В - и(выт.) =30 в. ¿(эм)=10 тА-1; 30 - 2; 60 -3.

Рис.16. Распределение по энергии ионизированных частиц серебра. То=1720 К, Тс=1900 К, <1е=60 тА, Ее=1б0 эВ.

Таблица I. Удельное - поверхностное сопротивление контактного слоя (р , Ом>смй) в зависимости от энергии заряженных частиц (Уск.напр.У, кВ) при .различных температурах отжига в кислороде при атмосферном давлении, х - деградация СП свойств, (-) - измерения не проводились.

Рис.Г

Рис.2

V Á .

Рис.4

Рис.3

J5*'

кг M 2.0

il

-5

10

iO

-Б

- о/ (0.2 ФОЛ /

-Г / Л»

/Г / Г

в

-в 10

-7 10

10

э

V /

/ м / € /

/ © / / л в' г К

i/ tum ин> «

5-ю'

-2

5-10

5-Ю '

to2 /о3 io*1 Р01Па

Рис.5

Рис.7

Ю 10г 103 Ю*Рог/!а Рис. 6

Ы отн.ед. .А -к

/V - u r ^ /I 1 г

/ Щ 4 / ^ л13 r

/</ / / ¿L 1 ^ j ял

10

Рис.8

-з

- I(H¡), огн. еЭ. •

- \ 2Í /fl3

х 1С 0

% ю'

Л У sJyy. Г!№

Рис.9

Рис.10

10

ío'PJa 105

H

•-t «

. - i

. - if- ■ / -fy-

Í- ,

- .

r"\ V'. ■ ' Í ft

Рис. -»-g

^11-S

Рис.12

шл

5 /

: ( 15ъ/ /

_ i M

SMJ /

: / /] Ai:

m] y г

/ > К

■ ^ __ ëàJ- -_-

t SJL ! r~

1

Рис.13

vijoizH.ed. 1

®i / A

Л' /ч ñ

/ \Á 'Л

20 -40 60. ео РИС.14

о т 20 30 £¿,3&

Рис.15

Рис.16

Удельное сопротгалгние 9о , Ои см^ !Уск. Тега. Образец

иоджшш Ь'осле нашл. | хемяерзтуиа отшта. • с !напрп на тал.

Мв "ЙШ МЛ) ЬМ 11/-.I4J Т,°С

I Аг2°3 4-10~1 _ 6-КГ2' _ 1-КГ1 0 100 432-1

2 I-I0"1 - 3.4-Ю"1 - X 0 100 432-2

3 2-I0"2 -> X _ _ 0 100 465

4 Si-Tú 03 2-КГ2 - - - 5-Ю"4 0 100 363

5 А1г 03 4-КГ3 X 2,5.10"° X 2 100 463

6 1,0-КГ2 ' X г-кг4 8-Ю"6 1,5-Ю-4 2 100 471

7 1.4-КГ2 - _ - 2.5-Ю-3 г 100 468

8 ¿rTiOj 1,0-ÍO"3 - - - 7-Ю'9 -2 100 367 '

дего3 600 700 800

9 X 1.5 -IO"4 5*10—3 _ 2 •200

10 X - - 1,5 -КГ2 2 200

II X 1.1'Ю"4 2-Ю"8 _ 2 200

12 SrT¡.o3 4-Ю"3 - - - 2 200 366

13 4-I0"2 - | - - 0 200 365

Таблица I

Подписано к печати 17.02.1993 г. Формат бумаги 60 х 84 I/I6 Уч.-изд.л. Заказ N 162. Тираж 100.

Отпечатано в Институте теплофизики СО РАН 630090, Новосибирск-90, пр.Ак.Лаврентьева, I