Єфименко Н. О. Формування комбінованих потоків активованих частинок в плазмових системах зі схрещеними ен-полями для синтезу наноструктурних покриттів

Дисертаційну роботу присвячено дослідженням процесів генерації та транспортування потоків іонів, електронів і хімічно активних частинок в кластерній іонно-плазмовій системі (КІПС) та в комбінованій магнетронній іонно-променевой / плазмовій системах (МІПС) зі схрещеними ЕН полями для синтезу складно-композиційних наноструктурних покриттів. На першому етапі роботи було проведено експериментальні дослідження інтегральних характеристик магнетронного та ВЧ індукційного розрядів в КІПС. Також були виміряні локальні параметри плазми і потоків заряджених частинок (температури і густини електронів і іонів); визначенні енергетичні спектри іонів і просторові розподіли густини іонного струму. Було синтезовано одношарові і багатошарові покриття з оксидів алюмінію та танталу і вивчено іх фізичні та трибологічні властивості, визначено оптимальне «технологічне вікно» та зроблено рекомендації щодо отримання стехіометричних покриттів з пентооксиду тантала в КІПС. Також, на основі досліджень плазми проведено оснащення КІПС додатковим обладнанням для контролю і моніторингу в часі ключових параметрів технологічного процесу нанесення покриттів на зразки та медичні вироби для імплантології. Другий етап роботи було присвячено комплексним експериментальним і технологічним дослідженням новітньої комбінованої магнетронної іоннопроменевої системи (МІПС). В МІПС магнетронний розряд було поєднано з джерелом іонів холлівського типу, налаштованому на роботу в прискорювальному режимі. В цьому режимі було сформовані щільні, надтверді покриття з високою внутрішню напругою типу ТіN та α Al2O3. Було доведено можливість контролювати кінетику росту стехіометричних покриттів з Al2O3 при знижених температурах і отримати аморфні або нанокристалічні (розміром 10-12 нм) плівки з γ та α фазами оксиду алюмінія. Було продемонстровано переваги МІПС перед магнетронним розрядом, а саме: - зниження тиску робочого газу для запалювання розряду в 1,5-2 рази; - зменьшення напругу магнетронного розряду на (50-100) В і стабілізація його роботи при тисках газу, менших за 1 мТорр; - можливість компенсації струму іонного пучка потоком електронів з магнетронної плазми і синтезу тонких діелектричних плівок без пошкоджень; - можливість проводити реактивний іонно-плазмовий синтез стехіометричних покриттів при параметрах поза зони пасивації мішені магнетрона. Також в результаті проведених досліджень отримано послідовний синтез аморфної, γ - та α – фаз оксиду алюмінію за участю іонного бомбардування в МІПС при температурі зразків меншої 500° С. На третьому етапі роботи було експериментально досліджено іонноплазмову модифікацію МІПС, яка призначена для синтезу покриттів з низькою енергією іонів (10-100) еВ додаткового бомбардування, але з високою густиною струму до 20 мА/см2 . Цей діапазон параметрів іонного бомбардування є необхідним для нанесення покриттів без внутрішніх напружень на термочутливі матеріали. Було експериментально доведено можливість формування при анодного шару електронів в плазмовому режимі роботі джерела іонів холлівського типу без розжарювального катоду завдяки інжекції електронів з магнетронного розряду. Вперше експериментально встановлено самоузгоджене керування напругою при анодного шару електронів в джерелі іонів холлівського типу в плазмовому режимі за допомогою магнітного поля. Таким чином, в комбінованій МІПС отримано направлений компенсований іон-електронний потік з керованою енергією іонів в діапазоні (30-500) еВ і густиною струму до 30 мА/см2 . На четвертому етапі роботи було розроблено феноменологічну просторовоусереднену модель комбінованого газового розраду в ЕН полях, яка побудована на загально визнаних в фізиці газового розряду і низькотемпературної плазми величинах. Було виявлено енергетично оптимальний режим роботи системи з максимальним струмом при мінімальній напрузі розряду та визначено параметри, які впливають на величину катодного і анодного падіння потенціалу. В цілому модель, якісно та кількісно пояснює основні характеристики роботи комбінованої МІПС від зовнішніх параметрів: тиску робочого газу, електричної потужності та магнітного поля. Таким чином експериментально доведено і теоретично обґрунтовано нову концепцію комбінованої МІПС. Тематика роботи і отримані результати становлять інтерес не тільки для фундаментальної фізики газового розряду і низькотемпературної плазми в магнітному полі, а є актуальними для розробки нової генерації іонно-плазмового обладнання для мікро- і нанотехнологій.