Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В первый год проекта выполнялись тестовые эксперименты по получению импульсного магнетронного разряда в парах материала мишеней Cr, Cu, Si. Проводилось измерение интегральных электрических параметров разряда (осциллограмм тока и напряжения разряда), вольт-амперных характеристик и фазовых траекторий в координатах «ток-напряжение». Измерения проводились для различных значений магнитного поля магнетрона. По полученным данным составлены карты устойчивых режимов существования импульсного магнетронного разряда в парах материала мишеней Cr, Cu, Si. Разработана многоканальная система импульсной зондовой диагностики для единовременных измерений параметров плазмы зондовым методом в нескольких точках над катодом. Для получения зондовых вольт-амперных характеристик в импульсном режиме разработан специализированный согласующий усилитель зондовой развертки, позволяющий варьировать временные и амплитудные характеристики импусльса напряжения на зондах в широких пределах. Для автоматизации обработки получаемых данных написан код для обработки исходных пакетов осциллограмм и их трансформации в реальные вольт-амперные характеристики. С помощью разработанного диагностического комплекса проведены измерения параметров плазмы разряда (температуры электронов, плотности плазмы) на мишенях Cr, Cu, Si. Определены пространственные распределения параметров плазмы в зависимости от мощности и длительности разрядного импульса. Предельные полученные значения плотности плазмы составили: для меди 3E13 1/см2, для хрома 2E13 1/см2, для кремния 8E12 1/см2. Температура электронов во всех случаях ниже 2 эВ. Оценена степень ионизации плазмы в условиях импульсного магнетронного разряда в парах Cr, Cu и Si. В режимах с наибольшей плотностью тока на мишени оцененные значения степени ионизации составили: в случае Cu 60%, в случае Cr 50%, в случае Si 20%.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Разработан и изготовлен компактный энерго-масс-анализатор со специализированной системой экстракции ионного пучка для применения на экспериментальной магнетронной установке с теплоизолированной мишенью. С его помощью для каждого сорта ионов получены зависимости как абсолютного потока частиц, так и относительного их содержания в полном потоке, от мгновенной (импульсной) мощности разряда, мощности, усредненной по периоду повторения, а также от полной мощности с учетом пауз между импульсами, заполненных дежурным магнетронным разрядом. Для мишени из меди показано, что в импульсном режиме в диапазоне плотности мощности 40–60 Вт/см2 ионы Ar замещаются ионами Cu, и при 100 Вт/см2 ионный поток практически полностью состоит из однозарядных ионов Cu. Максимальный зарегистрированный поток ионов Cu на расстоянии 12 см от поверхности мишени составил 6,9E17 частиц/см2/с. Для импульсного магнетронного разряда с мишенью из хрома показано, что при средней плотности мощности до 20 Вт/см2 содержание однозарядных ионов Cr находится в диапазоне 60–70%, и далее наблюдается практически линейный рост процентного содержания ионов Cr. Максимальный зарегистрированный поток однозарядных ионов Cr на расстоянии 12 см от поверхности мишени составил 6,2E18 частиц/см2/с. В зависимости от длительности импульса меняется содержание двухзарядных ионов Cr и Ar в потоке. Максимальный зарегистрированный поток двухзарядных ионов Cr составил для длительности импульса 0,3 мс — 1,3E15 частиц/см2/с (в диапазоне мощности 80–110 Вт/см2), а для длительности импульса 30 мс — 3,4E15 частиц/см2/с (в диапазоне мощности 50–80 Вт/см2). Доли аргона (как Ar+, так и Ar++), наоборот, снижаются при увеличении длительности импульса от 0,3 до 30 мс: Ar+ — с 3,8E16 до 1,2E16 частиц/см2/с, Ar++ — с 4,9E15 до 2,3E15 частиц/см2/с. Эти результаты показывают, что при долгом импульсе за время поддержания высокой импульсной мощности происходит более полное замещение частиц газа частицами пара, чем при коротком импульсе, и при осаждении покрытия среднее содержание металлических ионов в этом случае будет максимально возможным. Для импульсного магнетронного разряда с мишенью из кремния доля ионов аргона (Ar+ и Ar++) в потоке не опускается ниже 30%, т. е. аргон выполняет роль поддержания разряда, и прекращение его подачи приводит к исчезновению разряда. Поток ионов характеризуется стабильным присутствием двухзарядных ионов Ar и Si, на уровне 1–2%. Максимальный зарегистрированный поток однозарядных ионов Si на расстоянии 12 см от поверхности мишени составил 1,7E17 частиц/см2/с, а двухзарядных — 4,4E15 частиц/см2/с, что обеспечивает 70%-содержание ионов материала в общем токе на подложку, усредненном по периоду следования импульсов. Контактным методом проведены измерения температуры мишеней непосредственно в процессе горения магнетронного разряда. Продемонстрирована корреляция между абсолютными потоками однозарядных ионов металлов и скоростью осаждения покрытий в диапазоне 100–200 Вт/см2. Применение измеренных температур в расчетах показало, что при больших плотностях мощности, в режиме разряда в парах материала мишени, поток испаренных атомов превалирует над усредненным по периоду импульсов потоком распыления. Однако внутри импульса мгновенная величина потока распыления может сравниваться или даже превышать поток испаренных атомов.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Измерены скорости осаждения покрытий на основе хрома, меди, кремния, в зависимости от формы тока, напряжения и временных характеристик импульсного магнетронного разряда. Средняя скорость осаждения меди составила для режимов с охлаждаемой мишенью не выше 1 мкм/мин, а для режимов с испарением из горячей мишени — до 12 мкм/мин. Средняя скорость осаждения хрома составила для режимов с охлаждаемой мишенью не выше 1 мкм/мин, а для режимов с испарением из горячей мишени — до 15 мкм/мин. Средняя скорость осаждения кремния составила для режимов с охлаждаемой мишенью не выше 0,2 мкм/мин, а для режимов с испарением из горячей мишени — до 1 мкм/мин. Проведены эксперименты по осаждению покрытий Cr на Zr при различных параметрах разрядного импульса. Диагностика образцов и сравнение характеристик покрытий с аналогичными пленками, напыленными классическим магнетронным способом. Показано, что наилучшие показатели адгезии обеспечиваются применением импульсного магнетронного разряда в парах материала мишени, без напуска аргона, с максимальным потоком ионов Cr+ в импульсе 9E16 1/см2/с (усредненное по времени значение 2E16 1/см2/с). При этом полное разрушение покрытий не происходит в диапазоне тестируемых нагрузок (до 30 Н). Проведены эксперименты по осаждению покрытий на основе Si на стали 3 и С1035 при различных параметрах разрядного импульса (максимальный поток ионов Si+ 6,1E16 1/см2/с (усредненное по времени значение 1,4E16 1/см2/с)). Показан эффект защиты подложки от коррозии после кратковременной выдержки в концентрированных кислотах. Образцы, покрытые пленками Si, осажденными при напряжениях смещения 0 В, –150 В и –300 В, корродировали намного медленнее, чем образцы без покрытия, однако покрытия медленно разрушались со временем, а скорость коррозии образцов постепенно увеличивалась. Для образцов с покрытиями, нанесенными при –450 В, –600 В и +100 В, после кратковременной выдержки в концентрированных кислотах коррозии подложки и разрушения пленки не наблюдалось. После длительного пребывания образцов в указанных растворах, покрытие, осажденное при –450 В частично деградировало (происходило отслоение), в то время как на покрытиях , осажденных при –600 В и +100 В, наблюдались лишь небольшие дефекты диаметром менее 50 мкм. Проведены эксперименты по изучению процессов металлизации диэлектриков осаждением пленок Cu при различных параметрах разрядного импульса. Для покрытий меди на алюмооксидной керамике показано, что при толщине покрытия выше ~ 20 мкм происходит систематическое отслоение пленки, даже в режимах с максимальным потоком ионов. Требуется создание переходного слоя вида CuxOy. В связи с этим проведены эксперименты по осаждению покрытий CuxOy + Cu на подложки из алюмооксидной керамики в импульсном магнетронном разряде с теплоизолированной мишенью и определено, что оптимальным переходным слоем является CuO с толщиной до 5 мкм. Наилучшие показатели адгезии обеспечиваются применением импульсного магнетронного разряда в парах материала мишени, без напуска аргона, с максимальным потоком ионов Cu+ в импульсе порядка 5E16 1/см2/с (усредненное по времени значение 1,2E16 1/см2/с). При этом для покрытий с толщинами 30–100 мкм разрушение не наблюдается в диапазоне тестируемых нагрузок (до 20 Н), а глубина проникновения индентора достигает толщины покрытия. В целом, в режимах с максимальной долей ионов материала мишени реализуется получение наиболее плотных однокомпонентных покрытий.