Magnetron cylindryczny z dynamicznym polem magnetycznym Cylindrical magnetron with dynamic magnetic field Marek Betiuk e-mail: betiuk@imp.edu.pl www.imp.edu.pl

Magnetronowe źródło plazmy Modyfikacja powierzchni rur i cylindrów Plan prezentacji Magnetronowe źródło plazmy Modyfikacja powierzchni rur i cylindrów Budowa magnetronu - prace własne Charakterystyka prądowa pracy magnetronu Krytyczny parametr geometrii magnetronu w rurze Otrzymywanie powłok CrN Wnioski wtorek, 13 marca 2018 Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna

Magnetronowe źródło plazmy Wyładowanie jarzeniowe na powierzchni katodowej magnetronu * Schemat budowy magnetronu płaskiego Struktura powierzchni powłoki TiN Technologia magnetronowa MS-PVD Technologia łukowa PVD-Arc 2018-03-13 wtorek, 13 marca 2018 * http//www.msi-pse.com/magnetron_sputtering.htm Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna

Prace własne - Optymalizacja konfiguracji pola magnetycznego Elementarny układ magnetronu, linie sił pola Plazma na powierzchni cylindrycznego magnesu neodymowego wtorek, 13 marca 2018 Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna

Miniaturowy magnetron cylindryczny b Katoda Anoda Schematu rozwiązania konstrukcyjnego miniaturowego magnetronu rurowego a- obraz plazmy, b- obszary rozpylania (Cu) wtorek, 13 marca 2018 Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna

Magnetrony cylindryczne z układami dynamicznymi b c Schemat rurowych źródeł magnetronowych: a-rotujący układ magnetyczny , b- rotująca katoda, c- rotująca katoda z kresowo obracanym układem magnetycznym wtorek, 13 marca 2018 Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna

Magneton w rurze z materiału ferrytycznego ? 04.07.2007 Europejski Biuletyn Patentowy 2007/27 EP 1722005 B1 (51) Int. Cl. C23C14/35 (2006.01) (54) Tytuł wynalazku: Sposób stosowania katody napylającej z targetem Diamagnetyk Ferromagnetyk wtorek, 13 marca 2018 Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna

Ruch elektronu w niejednorodnym polu magnetycznym żródłem aktywnych zderzeń jonizacyjnych Torus plazmowy miejscem emisji substratów wzbudzonych i jonizowanych Cr , N2, C2H2 Pułapka magnetyczna Rozpylanie targetu Pole magnetyczne + Pole elektryczne Pole magnetyczne Plazma niskociśnieniowa (0,5 ÷ 5 Pa) Plazma na powierzchni magnetronu cylindrycznego: a- schemat rozkładu pola magnetycznego, b- rzeczywisty obraz plazmy na powierzchni magnetronu, c- rozpylanie tarczy (katody) magnetronowej wtorek, 13 marca 2018 Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna „NOWOCZESNE MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE I TECHNOLOGIE DLA UZBROJENIA”, WAT, 19 maj 2015r.

Katodowy Spadek potencjału w obszarze plazmy 540 V Wyładowanie jarzeniowe w polu magnetycznym (magnetron) 900 V Anomalne wyładowanie jarzeniowe (azotowanie jarzeniowe) Cechą charakterystyczną wyładowania jarzeniowego jest występowanie wąskiego obszaru spadku katodowego potencjału plazmy w przestrzeni wokół katody Spadek katodowy powstaje w wyniku zagęszczenia ujemnego ładunku przestrzennego przez elektrony emitowane z powierzchni katody na skutek bombardowania jej jonami wtorek, 13 marca 2018 Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna

Cylindryczne źródło magnetronowe Układ badawczy Schemat magnetronu Toroidy plazmowe Cylindryczne źródło magnetronowe wtorek, 13 marca 2018 Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna

Synteza CrN - rozpylanie katody magnetronowej Cr w środowisku N2 wtorek, 13 marca 2018 Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna

Rotacja i dryf elektronów w niejednorodnym polu magnetycznym wzbudza plazmę i procesy rozpylania katody Sprzężenie magnetyczne Rozkład linii sił pola magnetycznego w przestrzeni magnetronu, plazma w układzie sprzężenia magnetycznego Obraz plazmy z sprzężeniem magnetycznym na powierzchni katody rozpylanego materiału wtorek, 13 marca 2018 Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna „NOWOCZESNE MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE I TECHNOLOGIE DLA UZBROJENIA”, WAT, 19 maj 2015r.

Ruch sytemu magnetycznego . Cylindryczne źródło plazmy z toroidalnym rozkładem pola magnetycznego, a- schemat źródła , b- widok plazmy na powierzchni katody magnetronowej , c- model źródła w rysunku technicznym wtorek, 13 marca 2018 Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna

Magnetron cylindryczny - Plazmowe źródło strumieni cząstek metalicznych i gazowych b c Układy magnetronów cylindrycznych w długich otworach: a- oscylujące pole magnetyczne b – magnetron cylindryczny w otworze lufy * c- magnetron w przewodzie lufy, schemat * US Army Bent Laboratories. wtorek, 13 marca 2018 Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna „NOWOCZESNE MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE I TECHNOLOGIE DLA UZBROJENIA”, WAT, 19 maj 2015r.

Energia kinetyczna jonu kształtowana w polu elektrycznym katody Średnia energia kinetyczna jonu w obszarze spadku katodowego Ej- energia kinetyczna jonu [eV] λs- droga swobodna d c- szerokość obszaru spadku katodowego Vc - potencjał katodowy podłoża W atmosferze 75N2+ 25H2; T=540oC;Vk=675V; p=300 Pa Ej (N2+) , Ej (N+) ≈190 eV wtorek, 13 marca 2018 Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna

p1>> p2 Krytyczny parametr geometrii magnetronu cylindrycznego Magnetronowe wyładowanie jarzeniowe Anomalne wyładowanie jarzeniowe p1>> p2 Gdzie: dc- szerokość Ciemni Crooksa, a1,a2-stałe doświadczalne badanego układu, i- gęstość prądu, p1, p2- ciśnienie gazów mierzone w komorze wyładowczej ω e – prętkość kołowa rotacji elektronu częstotliwość cyklotronowa , τ- czas miedzy zderzeniami (Wielkość (ωe•τ) w wyrażeniu fizycznie odpowiada odcinkowi okręgu zataczanego przez elektron między zderzeniami) e- ładunek elektronu, B- indukcja pola magnetycznego, me-masa elektronu wtorek, 13 marca 2018 (Wybierz z Menu "Wstawianie" -> "Nagłówek i stopka", Wpisz tekst stopki -> "Zastosuj do wszystkich") Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna 16

Magnetron charakterystyka prądowo-napięciowa N2+Ar Ciśnienie 0,6 Pa współczynnik n Ar - 15 N2+ Ar - 7 N2 -4 Ar Współczynnik n, określany eksperymentalnie dla prawidłowo pracujących magnetronów winien zawierać cię w zakresach 5-15. Wyższa wartość współczynnika n oznacza wzrost efektywności pułapkowania elektronów wtórnych przez układ magnetyczny magnetronu. 17 wtorek, 13 marca 2018 wtorek, 13 marca 2018 Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna Nowoczesne technologie w inżynierii powierzchni , Łódż-Spała 2013

Powłoka CrN ujawniona na powierzchni zgładu sferycznego No. Process stage Duration [min] Gas composition Pressure of dynamic vacuum with Ar [Pa] Total pressure of dynamic vacuum with Ar+N2 Substrate polarisation [V] Magnetron current [A] Magnetron voltage 1 Ion etching 15 Ar 0.3 Pa - -1 000 6 -600 2 Coating synthesis 30 Ar+N2 0.4 0.8 -100 -450 Powłoka CrN o wysokiej przyczepności do podłoża Powłoka CrN twardość HV0,02 -1850 ±100, Grubość g – 3 µm, czas syntezy 30 min wtorek, 13 marca 2018 Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna „NOWOCZESNE MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE I TECHNOLOGIE DLA UZBROJENIA”, WAT, 19 maj 2015r.

Powłoka CrN synteza , Cylinder Komora badawcza PVD WU-1BS z magnetronem cylindrycznym: a- magnetron Ø 12 mm w przestrzeni rury ceramicznej Ø 50, b -magnetron Ø 35 mm, h- 400mm w wnętrzu tulei tłokowej silnika spalinowego, o wym. Ø 120 mm, h- 290 mm wtorek, 13 marca 2018 Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna „NOWOCZESNE MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE I TECHNOLOGIE DLA UZBROJENIA”, WAT, 19 maj 2015r.

Wnioski Zastosowanie magnetronu rurowego umożliwia wytwarzanie powłok na powierzchniach wewnętrznych rur ze stali ferrytycznej. 2. Na podstawie badań charakterystyki prądowo-napięciowej magnetronu stwierdzono jego dobrą sprawność wyrażoną współczynnikiem efektywności pułapkowania elektronów 3. Uzyskanie równomierności reaktywnego rozpylania wymaga optymalizacji geometrii pola magnetycznego. 4. Udoskonalenie konstrukcji magnetronu rurowego wymaga dalszych badań technologicznych związanych z wytwarzaniem materiałów powłokowych np. Cr, CrN, CrC na powierzchniach wewnętrznych rur ze stali ferrytycznej nagrzewanej radiacyjne do temperatury 400 o C wtorek, 13 marca 2018 Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna

Inspiracja pracami polskich grup badawczych prof. dr inż. Jerzy Zdanowski Jonowe trawienie powierzchni ciała stałego WPW Wrocław 1978 dr hab. inż. Witold Posadowski, prof. nadzw. PW Niekonwencjonalne układy magnetronowe do próżniowego nanoszenia cienkich warstw OWPW Wrocław 2001 wtorek, 13 marca 2018 Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna

Dziękuję za uwagę wtorek, 13 marca 2018 22 (Wybierz z Menu "Wstawianie" -> "Nagłówek i stopka", Wpisz tekst stopki -> "Zastosuj do wszystkich") Inżynieria Przyszłości II konferencja Naukowo-Bizneowa 21-22 Maja 2015 Cedzyna 22