RU2627945C1 - Method for determining thickness of aluminium oxide film during anodic oxidation of cold cathode in glow oxygen discharge - Google Patents

Method for determining thickness of aluminium oxide film during anodic oxidation of cold cathode in glow oxygen discharge Download PDF

Info

Publication number
RU2627945C1
RU2627945C1 RU2016116368A RU2016116368A RU2627945C1 RU 2627945 C1 RU2627945 C1 RU 2627945C1 RU 2016116368 A RU2016116368 A RU 2016116368A RU 2016116368 A RU2016116368 A RU 2016116368A RU 2627945 C1 RU2627945 C1 RU 2627945C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cold cathode
vacuum
oxygen
oxide film
glow discharge
Prior art date
Application number
RU2016116368A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валентин Иванович Хворостов
Василий Андреевич Балин
Нонна Юрьевна Панова
Ирина Леонидовна Воронова
Владимир Николаевич Вавакин
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Priority to RU2016116368A priority Critical patent/RU2627945C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2627945C1 publication Critical patent/RU2627945C1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: method for determining the average thickness of the oxide film during the anodic oxidation of a cold cathode in a glow oxygen discharge, including the creation of a high vacuum in the control region, is characterized in that the area of the working surface of a certain cold cathode configuration is determined, the internal volume of the vacuum region occupied by a vacuum sensor located outside the region of the cold cathode and a connected vacuum channel with a vacuum region containing a cold cathode process device, an internal volume of the vacuum region occupied by the cold cathode process device, the vacuum system and the vacuum region are filled with oxygen to a constant pressure, the vacuum region is disconnected from the vacuum system, the magnitude of the steady-state pressure is recorded in the vacuum regions containing the vacuum sensor and the cold cathode process device before the ignition of the glow discharge in the cold cathode process device, the glow discharge is lit in the internal volume of the vacuum region occupied by the cold cathode process device, the oxygen pressure is fixed by the vacuum sensor in the selected time during the anodic oxidation of a cold cathode in a glow discharge, the average thickness of the oxide film of aluminium is calculated on the working surface of the particular cold cathode configuration in the selected time during the anodic oxidation in a glow oxygen discharge according to the formula.
EFFECT: providing the possibility of determining the average thickness of the aluminium oxide film without disturbing the cathode structure.
1 cl

Description

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к способу определения толщины окисной пленки алюминия в процессе анодного окисления холодного катода в тлеющем разряде кислорода. Большинство известных методов измерения толщины тонких пленок предполагают расположение пленок на плоских поверхностях, например рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и рефлектометрия, атомно-силовая микроскопия, эллипсометрия, интерференционные методы, различные спектрофотометрические методы. Основными недостатками существующих методов и приборов на их основе являются сложность, большая стоимость, практические трудности создания встраиваемой аналитической аппаратуры для проведения измерений непосредственно в процессе получения окисных пленочных покрытий на изделиях неплоской формы в условиях газового разряда, специальные требования к подготовке исследуемой поверхности.The invention relates to the field of quantum electronics, in particular to a method for determining the thickness of an aluminum oxide film in the process of anodic oxidation of a cold cathode in a glow discharge of oxygen. Most of the known methods for measuring the thickness of thin films involve the location of films on flat surfaces, for example, X-ray photoelectron spectroscopy and reflectometry, atomic force microscopy, ellipsometry, interference methods, and various spectrophotometric methods. The main disadvantages of existing methods and devices based on them are the complexity, high cost, practical difficulties of creating built-in analytical equipment for measuring directly in the process of producing oxide film coatings on non-flat products under gas discharge conditions, special requirements for the preparation of the test surface.

Известен способ определения толщины пленки окисла алюминия оптическим методом с использованием эллипсометрии [1], который применяют на алюминиевом плоскопараллельном «свидетеле», подвергающемся термическому окислению вместе с холодным катодом в атмосфере кислорода в вакуумной камере. Способ состоит в измерении состояния поляризации поляризованной векторной волны. Используют сложную схему измерений, когда монохроматическая волна от лазера проходит через управляемый поляризатор, на выходе из которого получается поляризованный свет, который затем изменяет свою поляризацию после падения на поверхность окисла. Далее этот свет измеряется и анализируется управляемым анализатором поляризации, за которым располагается приемник световой волны. Для определения толщины окисной пленки рассматривают световые лучи: падающие на поверхность окисла, отраженные от поверхности пленки и преломленные в пленку, а также отраженные от подложки алюминиевого «свидетеля». В итоге определение толщины пленки окисла сводится к измерению фазы светового луча, падающего под определенным углом к нормали к поверхности пленки окисла при однократном прохождении через окисел, образующийся на плоскопараллельном «свидетеле».A known method for determining the thickness of a film of aluminum oxide by the optical method using ellipsometry [1], which is used on an aluminum plane-parallel "witness" subjected to thermal oxidation together with a cold cathode in an oxygen atmosphere in a vacuum chamber. The method consists in measuring the polarization state of a polarized vector wave. A complex measurement scheme is used when a monochromatic wave from a laser passes through a controlled polarizer, at the output of which polarized light is obtained, which then changes its polarization after falling onto the oxide surface. Further, this light is measured and analyzed by a controlled polarization analyzer, behind which there is a light wave receiver. To determine the thickness of an oxide film, light rays are considered: incident on the oxide surface, reflected from the film surface and refracted into the film, and also reflected from the substrate of the aluminum "witness". As a result, the determination of the thickness of the oxide film is reduced to measuring the phase of the light beam incident at a certain angle to the normal to the surface of the oxide film during a single passage through the oxide formed on a plane-parallel “witness”.

Однако данный способ требует знания точного значения показателя преломления окисла алюминия. Литературные данные дают значения, различающиеся между собой в пределах 50%. Поэтому требуется проводить расчет толщины с учетом отражательной эллипсометрии, т.е. проводить дополнительно измерения коэффициентов отражения р- и s-поляризованных волн. Кроме того, способ требует дорогостоящей аппаратуры, в частности эллипсометра, точной трудоемкой юстировки. Измерения толщины проводят после окончания окисления образца, что исключает получение информации о толщине окисла в процессе обработки изделия. Кроме этого существенным недостатком является невозможность измерения толщин окислов на неплоских изделиях, в том числе с произвольной формой окисляемой поверхности, на изделиях с «глухой» стороной, противоположной относительно стороны входа луча, например, в форме колпачка. Имеются значительные трудности измерения толщин окислов изделий с шероховатостью, превышающей 0,04 мкм, что ограничивает область использования способа и делает его непригодным для измерений толщины окислов на холодных катодах из алюминия, для которых типичные значения шероховатости после изготовления механическим способом имеют значения 0,08-0,63 мкм.However, this method requires knowledge of the exact value of the refractive index of aluminum oxide. Literature data give values that differ from each other within 50%. Therefore, it is necessary to calculate the thickness taking into account reflective ellipsometry, i.e. carry out additional measurements of reflection coefficients of p- and s-polarized waves. In addition, the method requires expensive equipment, in particular an ellipsometer, accurate labor-intensive adjustment. The thickness measurements are carried out after the end of the oxidation of the sample, which eliminates the information on the thickness of the oxide during processing of the product. In addition, a significant drawback is the impossibility of measuring the thickness of oxides on non-planar products, including those with an arbitrary shape of the oxidizable surface, on products with a “blind” side opposite to the side of the beam inlet, for example, in the form of a cap. There are significant difficulties in measuring the thickness of oxides of products with a roughness exceeding 0.04 μm, which limits the scope of the method and makes it unsuitable for measuring the thickness of oxides on cold aluminum cathodes, for which the typical roughness values after mechanical production are 0.08- 0.63 microns.

Известен способ определения параметров ионно-плазменной очистки электродов электровакуумных приборов [2], когда после откачки системы до давления 10-4 Па в нее напускался стационарный поток рабочего газа и в приборе устанавливалось постоянное давление 10…100 Па. Исследования режимов очистки электродов в газовом разряде проводились в аргоне и среде остаточных газов. Затем последовательно производилась очистка отдельных электродов и арматуры за счет изменения на них напряжений. Наблюдаемые пики давления в системе соответствуют десорбции загрязнений с поверхностей электродов при обработке разрядом. Критерием длительности очистки в разряде может служить время стабилизации общего давления в системе на первоначальном уровне.There is a method for determining the parameters of ion-plasma cleaning of electrodes of electrovacuum devices [2], when after pumping the system to a pressure of 10 -4 Pa, a stationary flow of working gas was introduced into it and a constant pressure of 10 ... 100 Pa was set in the device. Investigations of the regimes of cleaning electrodes in a gas discharge were carried out in argon and in the environment of residual gases. Then, individual electrodes and fittings were subsequently cleaned by changing the voltages on them. The observed pressure peaks in the system correspond to the desorption of contaminants from the surfaces of the electrodes during discharge treatment. The criterion for the duration of cleaning in the discharge can serve as the time to stabilize the total pressure in the system at the initial level.

Недостатком предложенного способа является применимость его только для определения эффективности очистки электродов в газовом разряде в аргоне и среде остаточных газов. Нет сведений о применимости способа для определения толщины окисной пленки на электроде при его окислении в разряде кислорода. Время стабилизации общего давления в вакуумной системе на первоначальном уровне, выступающее как критерий очистки, не позволяет определять толщину формируемой окисной пленки.The disadvantage of the proposed method is its applicability only to determine the efficiency of cleaning the electrodes in a gas discharge in argon and the environment of residual gases. There is no information on the applicability of the method for determining the thickness of an oxide film on an electrode during its oxidation in an oxygen discharge. The stabilization time of the total pressure in the vacuum system at the initial level, acting as a cleaning criterion, does not allow to determine the thickness of the formed oxide film.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ контроля толщины окисных пленок на металлах [3], включающий создание высокого вакуума в области контроля, бомбардировку пленок ускоренными частицами, в котором с целью неразрушающего контроля толщины окисных пленок на изделиях различной конфигурации с шероховатостью 1,25 мкм и ниже поверхность облучают пучком ускоренных электронов постоянной энергии под углом, регистрируют интенсивность энергетического спектра упруго отраженных электронов от границы пленка-подложка, на основе второго максимума определяют энергию упруго отраженных электронов и рассчитывают толщину окисной пленки. Способ выступает в качестве экспресс-анализа толщины окисных пленок, нанесенных на внутреннюю поверхность цилиндрических металлических образцов с шероховатостью поверхности 1,25-0,04 мкм при бомбардировке исследуемой поверхности пучком электронов постоянной энергии и позволяет проводить измерения толщины окисных пленок на металлических подложках разной конфигурации.The closest in technical essence to the proposed method is a method for controlling the thickness of oxide films on metals [3], including creating a high vacuum in the control region, bombarding films with accelerated particles, in which, for the purpose of non-destructive testing of the thickness of oxide films on products of various configurations with roughness 1, 25 microns and lower, the surface is irradiated with a beam of accelerated electrons of constant energy at an angle, the intensity of the energy spectrum of elastically reflected electrons from the boundary of the The nka substrate, based on the second maximum, determines the energy of elastically reflected electrons and calculates the thickness of the oxide film. The method acts as an express analysis of the thickness of oxide films deposited on the inner surface of cylindrical metal samples with a surface roughness of 1.25-0.04 μm during bombardment of the test surface with a constant-energy electron beam and allows measurements of the thickness of oxide films on metal substrates of various configurations.

Однако данный способ требует специальной дорогостоящей аппаратуры в качестве источника ускоренных электронов и регистратора энергетического спектра упруго отраженных электронов (измерительный преобразователь, генератор напряжения задержки, усилитель, дифференциальный усилитель, самописец, приемник излучения, электрометрический усилитель, электронная пушка, блок питания), применим только после создания высокого вакуума в зоне измерений, т.е. после окончания окисления изделий. Способ не может быть использован для экспресс-анализа толщины окисных пленок непосредственно в процессе их формирования в тлеющем разряде. Точность способа зависит от точности установки электронной пушки относительно измеряемого образца, при этом требуется построение таблицы зависимости толщины конкретного окисла от энергии электронного пучка. Существенным недостатком является невозможность определения толщины окисной пленки на изделии с торцевой стороной, не имеющей сквозного пролета для упруго отраженных электронов, например, на изделии в форме цилиндра, ограниченного полусферой со стороны, противоположной входу электронов.However, this method requires special expensive equipment as a source of accelerated electrons and a recorder of the energy spectrum of elastically reflected electrons (measuring transducer, delay voltage generator, amplifier, differential amplifier, recorder, radiation receiver, electrometric amplifier, electron gun, power supply), is applicable only after creating high vacuum in the measurement zone, i.e. after the end of oxidation of products. The method cannot be used for express analysis of the thickness of oxide films directly in the process of their formation in a glow discharge. The accuracy of the method depends on the accuracy of the installation of the electron gun relative to the measured sample, and this requires the construction of a table of the dependence of the thickness of a particular oxide on the energy of the electron beam. A significant drawback is the inability to determine the thickness of the oxide film on the product with an end side that does not have a through passage for elastically reflected electrons, for example, on a product in the form of a cylinder bounded by a hemisphere from the side opposite to the electron entrance.

Задачей изобретения является разработка способа определения средней толщины окисной пленки алюминия в процессе анодного окисления в тлеющем разряде кислорода холодного катода определенной конфигурации, позволяющего определять среднюю толщину окисла на рабочей поверхности непосредственно во время проведения конкретного технологического процесса формирования окисной пленки, без влияния условий измерения на проведение процесса окисления, и своевременно прекращать окисление при достижении заранее запланированной толщины, не нарушая конструкции катода.The objective of the invention is to develop a method for determining the average thickness of an aluminum oxide film in the process of anodic oxidation in a glow discharge of cold cathode oxygen of a certain configuration, which allows determining the average oxide thickness on a working surface directly during a specific technological process of forming an oxide film, without affecting the measurement conditions on the process oxidation, and stop oxidation in a timely manner when a predetermined thickness is reached, without violating I cathode structure.

Холодный катод работает в условиях ионной бомбардировки компонентами газовой лазерной смеси, разрушающей эмиссионный слой. Величина катодного падения изменяется в зависимости от толщины оксидного слоя алюминия. Слишком толстый слой окисла (более 100 нм) создает дополнительное сопротивление выходу электронов в газоразрядный промежуток. С другой стороны, незначительный по толщине естественный слой окисла на неокисленном холодном катоде (толщиной около 3 нм) не защищает холодный катод от распыления в течение времени наработки в тлеющем разряде свыше нескольких сотен часов [4]. Такая зависимость объясняется тем, что коэффициент ионно-электронной эмиссии максимален при оптимальной толщине пленки и уменьшается при ее уменьшении или увеличении. При толщине окисла металла, равной 20 нм [5], имеются оптимальные условия для выхода электронов с холодного катода в процессе ионно-электронной эмиссии. От оптимальной толщины защитного окисного слоя напрямую зависят важнейшие технические характеристики холодного катода: напряжение горения, напряжение пробоя, стабильность эмиссии заряженных частиц в газоразрядный промежуток и, как следствие, ресурс, долговечность и стабильная работа газового лазера. Поэтому важной задачей является определение средней толщины окисла на рабочей поверхности холодного катода непосредственно в процессе формирования в тлеющем разряде, чтобы вовремя определить величину толщины окисла и прекратить его дальнейший рост.The cold cathode operates under conditions of ion bombardment by components of a gas laser mixture that destroys the emission layer. The magnitude of the cathodic drop varies depending on the thickness of the aluminum oxide layer. A too thick oxide layer (more than 100 nm) creates additional resistance to the exit of electrons into the gas-discharge gap. On the other hand, the natural oxide layer on the non-oxidized cold cathode, which is insignificant in thickness (about 3 nm thick), does not protect the cold cathode from sputtering during the operating time in a glow discharge over several hundred hours [4]. This dependence is explained by the fact that the coefficient of ion-electron emission is maximum at the optimal film thickness and decreases with its decrease or increase. With a metal oxide thickness of 20 nm [5], there are optimal conditions for the escape of electrons from the cold cathode during ion-electron emission. The most important technical characteristics of the cold cathode directly depend on the optimal thickness of the protective oxide layer: burning voltage, breakdown voltage, stability of the emission of charged particles into the gas-discharge gap and, as a result, resource, durability and stable operation of the gas laser. Therefore, an important task is to determine the average thickness of the oxide on the working surface of the cold cathode directly in the process of formation in a glow discharge in order to determine the oxide thickness in time and stop its further growth.

Указанная задача решается тем, что в известном способе контроля толщины окисных пленок, включающем создание высокого вакуума в области контроля, определяют площадь рабочей поверхности холодного катода определенной конфигурации, внутренний объем вакуумной области, занимаемой датчиком вакуума, расположенным вне области холодного катода и соединенным вакуумным каналом с вакуумной областью, содержащей технологический прибор с холодным катодом, внутренний объем вакуумной области, занимаемой технологическим прибором с холодным катодом, наполняют вакуумную систему и вакуумные области кислородом до постоянного давления, отсоединяют вакуумные области от вакуумной системы, фиксируют перед началом зажигания тлеющего разряда в технологическом приборе с холодным катодом величину установившегося давления в вакуумных областях, содержащих датчик вакуума и технологический прибор с холодным катодом, зажигают тлеющий разряд во внутреннем объеме вакуумной области, занимаемой технологическим прибором с холодным катодом, фиксируют датчиком вакуума в выбранный момент времени давление кислорода в процессе анодного окисления холодного катода в тлеющем разряде, рассчитывают среднюю толщину окисной пленки алюминия на рабочей поверхности холодного катода определенной конфигурации в выбранный момент времени анодного окисления в тлеющем разряде кислорода по формулеThis problem is solved by the fact that in the known method of controlling the thickness of oxide films, including the creation of a high vacuum in the control region, the working surface area of the cold cathode of a certain configuration is determined, the internal volume of the vacuum region occupied by the vacuum sensor located outside the cold cathode region and connected by a vacuum channel with a vacuum region containing a cold cathode processing device, an internal volume of a vacuum region occupied by a cold cathode processing device, fill the vacuum system and vacuum regions with oxygen to a constant pressure, disconnect the vacuum regions from the vacuum system, fix the value of the steady-state pressure in vacuum regions containing a vacuum sensor and a technological device with a cold cathode before ignition of a glow discharge in a technological device with a cold cathode, ignite a glow discharge in the internal volume of the vacuum region occupied by the technological device with a cold cathode, is fixed by a vacuum sensor at a selected point in time yes the appearance of oxygen during the anodic oxidation of the cold cathode in a glow discharge, calculate the average thickness of the aluminum oxide film on the working surface of the cold cathode of a certain configuration at a selected point in time of anodic oxidation in a glow discharge of oxygen according to the formula

h=7,01(nS)-1(V1+NV2) (P1-P2)+h0,h = 7.01 (nS) -1 (V 1 + NV 2 ) (P 1 -P 2 ) + h 0 ,

где h - средняя толщина окисной пленки алюминия для холодного катода с шероховатостью рабочей поверхности менее 0,63 мкм, нм;where h is the average thickness of the aluminum oxide film for the cold cathode with a surface roughness of less than 0.63 μm, nm;

V1 - внутренний объем вакуумной области, занимаемой датчиком вакуума, м3;V 1 - the internal volume of the vacuum region occupied by the vacuum sensor, m 3 ;

N - количество технологических приборов с холодными катодами;N is the number of technological devices with cold cathodes;

V2 - внутренний объем одного технологического прибора с холодным катодом, м3;V 2 - the internal volume of one technological device with a cold cathode, m 3 ;

P1 - установившееся давление кислорода в объеме V1 перед началом анодного окисления холодного катода, Па;P 1 - steady-state oxygen pressure in the volume V 1 before the start of anodic oxidation of the cold cathode, Pa;

P2 - давление кислорода в объеме V1 в выбранный момент времени в процессе окисления холодного катода, Па;P 2 is the oxygen pressure in the volume V 1 at a selected point in time during the oxidation of the cold cathode, Pa;

n - количество одновременно обрабатываемых холодных катодов;n is the number of simultaneously processed cold cathodes;

S - площадь рабочей поверхности одного холодного катода определенной конфигурации, м2;S is the area of the working surface of one cold cathode of a certain configuration, m 2 ;

h0 - средняя толщина окисной пленки алюминия на холодном катоде перед началом зажигания тлеющего разряда при начальной температуре катода, нм.h 0 is the average thickness of the aluminum oxide film on the cold cathode before the start of the glow discharge ignition at the initial cathode temperature, nm.

Определение средней толщины формирующейся на рабочей поверхности холодного катода окисной пленки в процессе окисления в тлеющем разряде кислорода происходит следующим образом.The determination of the average thickness of the oxide film formed on the working surface of the cold cathode during oxidation in a glow discharge of oxygen occurs as follows.

Устанавливают на вакуумную установку неокисленные полые холодные катоды определенной конфигурации, в данном случае имеющие вид цилиндра с открытыми торцами длиной 22 мм и внутренним диаметром 20 мм, изготовленные из технического алюминия АД1, в нескольких технологических приборах [6], служащих для анодного окисления в тлеющем разряде, по одному катоду в каждом приборе. В примере выполнения одновременно окисляют 4 холодных катода с предварительно измеренной шероховатостью рабочей поверхности, равной 0,35 мкм.They install non-oxidized hollow cold cathodes of a certain configuration on a vacuum installation, in this case having the form of a cylinder with open ends 22 mm long and an inner diameter of 20 mm, made of technical aluminum AD1, in several technological devices [6], which serve for anodic oxidation in a glow discharge , one cathode in each device. In an exemplary embodiment, 4 cold cathodes are simultaneously oxidized with a previously measured working surface roughness of 0.35 μm.

Предварительно определяют: площадь внутренней рабочей поверхности одного холодного катода с данной конфигурацией, равную S=1,38⋅10-3 м2; внутренний объем V1=7⋅10-4 м3, занимаемый датчиком вакуума, который расположен вне области катода и соединен вакуумным каналом с вакуумной областью, содержащей технологический прибор с холодным катодом; внутренний объем V2=7⋅10-5 м3, занимаемый одним технологическим прибором с холодным катодом.Preliminarily determine: the area of the inner working surface of one cold cathode with this configuration, equal to S = 1.38⋅10 -3 m 2 ; the internal volume V 1 = 7⋅10 -4 m 3 occupied by a vacuum sensor, which is located outside the cathode region and is connected by a vacuum channel to a vacuum region containing a technological device with a cold cathode; the internal volume V 2 = 7⋅10 -5 m 3 occupied by one technological device with a cold cathode.

Эксперименты на катодах с разной степенью шероховатости рабочей поверхности и дальнейшие расчеты по предложенной формуле показали, что при определенном объеме затраченного на окисление кислорода имеется монотонное незначительное, менее 2%, уменьшение рассчитанной толщины окисла в зависимости от роста шероховатости внутренней рабочей поверхности холодного катода в пределах от минимальной до Ra=0,63 мкм. Таким образом, установлен диапазон практического применимости способа с учетом шероховатости рабочей поверхности холодного катода, который не должен превышать 0,63 мкм.Experiments on cathodes with varying degrees of roughness of the working surface and further calculations using the proposed formula showed that for a certain amount of oxygen expended on oxidation, there is a monotonous insignificant (less than 2%) decrease in the calculated oxide thickness depending on the increase in roughness of the inner working surface of the cold cathode, ranging from minimum to Ra = 0.63 microns. Thus, the range of practical applicability of the method is established taking into account the roughness of the working surface of the cold cathode, which should not exceed 0.63 microns.

Так как точность измерения средней толщины окисла напрямую зависит от точности датчика вакуума, то используют, например, термокомпенсированный мембранно-емкостной датчик вакуума производства Pfieffer CMR362, имеющий точность измерения ±0,2% от измеряемого значения. Датчик вакуума должен быть расположен вне области холодного катода для того, чтобы на его показания не влияло избыточное давление кислорода вследствие его теплового расширения при повышенной температуре, которую газ приобретает в условиях тлеющего разряда в технологическом приборе. Датчик вакуума должен быть соединен вакуумным каналом с вакуумной областью, содержащей технологический прибор с холодным катодом, чтобы давление кислорода в технологическом приборе с холодным катодом соответствовало показанию, снимаемому с датчика вакуума.Since the measurement accuracy of the average oxide thickness directly depends on the accuracy of the vacuum sensor, they use, for example, a temperature-compensated membrane-capacitive vacuum sensor manufactured by Pfieffer CMR362, which has a measurement accuracy of ± 0.2% of the measured value. The vacuum sensor must be located outside the cold cathode so that its readings are not affected by excess oxygen pressure due to its thermal expansion at elevated temperature, which the gas acquires under the conditions of a glow discharge in the technological device. The vacuum sensor must be connected by a vacuum channel to the vacuum region containing the technological device with a cold cathode, so that the oxygen pressure in the technological device with a cold cathode corresponds to the reading taken from the vacuum sensor.

Наполняют вакуумную систему и вакуумные области кислородом до достижения постоянного давления. На практике время релаксации величины давления в вакуумной системе с алюминиевыми катодами не превышает 20-30 сек. За это время выравнивается давление кислорода в системе, а часть его в первые секунды сорбируется холодными алюминиевыми катодами. Кроме этого величину давления в вакуумных областях датчика и технологических приборов с катодами фиксируют только после установления давления неизменным во времени, чем учитывается сорбция атомов кислорода на внутренних стенках вакуумных объемов и поглощение кислорода алюминиевыми катодами при начальной температуре, до включения разряда. Затем отсоединяют вакуумные области с технологическими приборами и датчиком вакуума от вакуумной системы, например, с помощью вакуумного клапана. Фиксируют датчиком вакуума перед началом зажигания тлеющего разряда величину установившегося давления в вакуумных областях, содержащих датчик вакуума и технологические приборы с холодными катодами, в данном случае P1=0,450 мм рт.ст. Далее зажигают тлеющий разряд во внутреннем объеме вакуумной области, занимаемой технологическим прибором с холодным катодом, фиксируют датчиком в выбранный момент времени давление кислорода P2 в процессе окисления холодного катода в тлеющем разряде. В примере длительность окисления составила 30 минут. Причиной уменьшения величины давления кислорода во время проведения окисления холодного катода в тлеющем разряде при подаче на него положительной полярности напряжения постоянного тока является поглощение алюминием отрицательных ионов кислорода из тлеющего разряда [7] и создание окисной пленки Al2O3. Давление кислорода за 30 минут снизилось с P1=0,450 мм рт.ст. до P2=0,354 мм рт.ст. По литературным данным известно [8], что окисление алюминия вплоть до 600°C приводит к образованию слоя окисла с предельной для данной температуры толщиной. При 20°C толщина окисла алюминия составляет h0=3 нм. С учетом 4-х окисляемых катодов (n=4) в 4-х технологических приборах (N=4) рассчитывают среднюю толщину окисла на внутренней рабочей поверхности одного холодного катода в выбранный момент времени анодного окисления в тлеющем разряде кислорода по эмпирической формуле h=7,01(nS)-1(V1+NV2)(P1-P2)+h0. Средняя толщина окисла составила 18,9 нм. Погрешность способа - не более ±2% для катодов с шероховатостью рабочей поверхности не более 0,63 мкм.Fill the vacuum system and vacuum areas with oxygen until a constant pressure is reached. In practice, the relaxation time of the pressure in a vacuum system with aluminum cathodes does not exceed 20-30 sec. During this time, the oxygen pressure in the system is equalized, and part of it is sorbed in the first seconds by cold aluminum cathodes. In addition, the pressure in the vacuum regions of the sensor and technological devices with cathodes is fixed only after the pressure is fixed in time, which takes into account the sorption of oxygen atoms on the inner walls of the vacuum volumes and oxygen absorption by aluminum cathodes at the initial temperature, before the discharge is switched on. Then disconnect the vacuum area with process devices and a vacuum sensor from the vacuum system, for example, using a vacuum valve. The vacuum sensor is fixed before the start of the glow discharge ignition, the value of the steady-state pressure in the vacuum areas containing the vacuum sensor and technological devices with cold cathodes, in this case, P 1 = 0.450 mm Hg Next, a glow discharge is ignited in the internal volume of the vacuum region occupied by the technological device with a cold cathode, the oxygen pressure P 2 is fixed by a sensor at a selected point in time during the oxidation of the cold cathode in a glow discharge. In the example, the oxidation time was 30 minutes. The reason for the decrease in oxygen pressure during the oxidation of the cold cathode in a glow discharge when a positive polarity of the DC voltage is applied to it is the absorption of negative oxygen ions from the glow discharge by aluminum [7] and the formation of an oxide film Al 2 O 3 . The oxygen pressure in 30 minutes decreased from P 1 = 0.450 mm Hg. up to P 2 = 0.354 mm Hg According to the literature, it is known [8] that the oxidation of aluminum up to 600 ° C leads to the formation of an oxide layer with a maximum thickness for a given temperature. At 20 ° C, the thickness of aluminum oxide is h 0 = 3 nm. Taking into account 4 oxidizable cathodes (n = 4) in 4 technological instruments (N = 4), the average oxide thickness on the inner working surface of one cold cathode at the selected time of anodic oxidation in a glow discharge of oxygen is calculated according to the empirical formula h = 7 , 01 (nS) -1 (V 1 + NV 2 ) (P 1 -P 2 ) + h 0 . The average oxide thickness was 18.9 nm. The error of the method is not more than ± 2% for cathodes with a roughness of the working surface of not more than 0.63 microns.

Проверку результатов производили путем сравнения толщины окисла по данному способу с прямыми исследованиями этих же катодов после окисления с помощью рентгеновского микроанализа (РМА), выполненного в растровом электронном микроскопе (РЭМ) модели JSM-6460LV. Микроскопические исследования показали среднюю толщину окисла в пределах 18,6-19,3 нм для отдельных исследуемых катодов, что практически совпадает с расчетной толщиной окисла и доказывает применимость предлагаемого способа для оперативного определения средней толщины окисной пленки алюминия в процессе анодного окисления в тлеющем разряде кислорода.The results were verified by comparing the thickness of the oxide according to this method with direct studies of the same cathodes after oxidation using X-ray microanalysis (PMA) performed in a JSM-6460LV scanning electron microscope (SEM). Microscopic studies showed an average oxide thickness in the range of 18.6-19.3 nm for individual cathodes under study, which practically coincides with the calculated oxide thickness and proves the applicability of the proposed method for the rapid determination of the average thickness of an aluminum oxide film during anodic oxidation in a glow discharge of oxygen.

Техническим результатом предлагаемого способа является возможность определения средней толщины окисной пленки алюминия для холодного катода определенной конфигурации, с шероховатостью рабочей поверхности менее 0,63 мкм, в процессе анодного окисления в тлеющем разряде кислорода, без нарушения конструкции катода. Отличием предлагаемого способа от существующих являются простота и оперативность расчета толщины окисла алюминия на рабочей поверхности холодного катода определенной конфигурации, возможность определения средней толщины окисла непосредственно во время проведения конкретного технологического процесса формирования окисной пленки, отсутствие влияния условий измерения на проведение процесса окисления, своевременное прекращение окисления при достижении заранее запланированной толщины окисла. Не требуется специальной подготовки поверхности катода и дополнительной аппаратуры, кроме необходимой для проведения стандартного процесса откачки и создания тлеющего разряда.The technical result of the proposed method is the ability to determine the average thickness of an aluminum oxide film for a cold cathode of a certain configuration, with a working surface roughness of less than 0.63 μm, during anodic oxidation in a glow discharge of oxygen, without disrupting the design of the cathode. The difference between the proposed method and the existing ones is the simplicity and speed of calculating the thickness of aluminum oxide on the working surface of a cold cathode of a certain configuration, the ability to determine the average thickness of the oxide directly during a specific technological process of forming an oxide film, the absence of the influence of measurement conditions on the oxidation process, timely termination of oxidation when achieving a predetermined oxide thickness. No special preparation of the cathode surface and additional equipment is required, other than necessary for carrying out the standard pumping process and creating a glow discharge.

Источники информацииInformation sources

[1] Королев А.П, Мордасов Д.М. Определение толщины пленки Al2O3 на холодных катодах оптическим методом. // Вестник ТГТУ. 2012. - Том 18. №3. С. 683-686.[1] Korolev A.P., Mordasov D.M. Determination of Al 2 O 3 film thickness on cold cathodes by optical method. // Bulletin of TSTU. 2012. - Volume 18. No. 3. S. 683-686.

[2] Лемякин А.А. Гнездовая откачка электровакуумных приборов с ионно-плазменной очисткой электродов / Воронин В.И., Лемякин А.А. // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2008. - №2 (32). вып. 1. - С. 120-126.[2] Lemyakin A.A. Nesting pumping of electric vacuum devices with ion-plasma cleaning of electrodes / Voronin V.I., Lemyakin A.A. // Bulletin of the Saratov State Technical University. - 2008. - No. 2 (32). issue 1. - S. 120-126.

[3] Способ контроля толщины окисных пленок на металлах: а.с. 805719 СССР. - БИ - 1981. - №6 // Бажин А.И., Коржавый А.П., Конопелько Е.И., Велик В.А., Ступак В.А., Файфер С.И. - прототип.[3] A method for controlling the thickness of oxide films on metals: 805719 USSR. - BI - 1981. - No. 6 // Bazhin A.I., Korzhavy A.P., Konopelko E.I., Velik V.A., Stupak V.A., Fayfer S.I. - prototype.

[4] Лищук Н.В. Разработка холодных катодов на основе бериллия и алюминия для гелий-неоновых лазеров с повышенной долговечностью: дисс. канд. техн. наук: Калуга, 1998. -193 с.[4] Lischuk N.V. Development of cold cathodes based on beryllium and aluminum for helium-neon lasers with increased durability: Diss. Cand. tech. Sciences: Kaluga, 1998. -193 p.

[5] Зыкова Е.В., Кучеренко Е.Т., Айвазов В.Я. Исследование тлеющего разряда с холодными катодами, покрытыми диэлектрическими пленками // Радиотехника и электроника XXIV, вып.7. - С. 1464-1466.[5] Zykova E.V., Kucherenko E.T., Ayvazov V.Ya. Investigation of a glow discharge with cold cathodes coated with dielectric films // Radio Engineering and Electronics XXIV, issue 7. - S. 1464-1466.

[6] Технологический прибор для обработки полого холодного катода в газовом разряде: Пат. №2525856 РФ, МПК h01j 9/02 / Хворостов В.И., Голяев Ю.Д., Хворостова Н.Н., Филатов Е.И., Минаева О.Н.; заявл. 16.04.2013; опубл. 20.08.2014, Бюл. №23. - 8 с.[6] Technological device for processing a hollow cold cathode in a gas discharge: Pat. No. 2525856 of the Russian Federation, IPC h01j 9/02 / Hvorostov V.I., Golyaev Yu.D., Hvorostova N.N., Filatov E.I., Minaeva O.N .; declared 04/16/2013; publ. 08/20/2014, Bull. Number 23. - 8 p.

[7] Ананьин B.C., Беляев В.А., Покосовский Л.Н. Поведение окисных пленок А1 в тлеющем разряде // Электронная техника. Сер. Электровакуумные и газоразрядные приборы. 1972. - №2. - С. 78-83.[7] Ananyin B.C., Belyaev V.A., Pokosovsky L.N. Behavior of A1 oxide films in a glow discharge // Electronic Technology. Ser. Vacuum and gas discharge devices. 1972. - No. 2. - S. 78-83.

[8] Коржавый А.П., Файфер С.И. и др. Исследование некоторых свойств холодных катодов. // Электронная техника, Сер. Материалы. - 1974. вып.5. - С. 3-9.[8] Korzhavyy A.P., Fayfer S.I. et al. Investigation of some properties of cold cathodes. // Electronic Technology, Ser. Materials - 1974. issue 5. - S. 3-9.

Claims (11)

Способ определения толщины окисной пленки алюминия в процессе анодного окисления холодного катода в тлеющем разряде кислорода, включающий создание высокого вакуума в области контроля, отличающийся тем, что определяют площадь рабочей поверхности холодного катода определенной конфигурации, внутренний объем вакуумной области, занимаемой датчиком вакуума, расположенным вне области холодного катода и соединенным вакуумным каналом с вакуумной областью, содержащей технологический прибор с холодным катодом, внутренний объем вакуумной области, занимаемой технологическим прибором с холодным катодом, наполняют вакуумную систему и вакуумные области кислородом до постоянного давления, отсоединяют вакуумные области от вакуумной системы, фиксируют перед началом зажигания тлеющего разряда в технологическом приборе с холодным катодом величину установившегося давления в вакуумных областях, содержащих датчик вакуума и технологический прибор с холодным катодом, зажигают тлеющий разряд во внутреннем объеме вакуумной области, занимаемой технологическим прибором с холодным катодом, фиксируют датчиком вакуума в выбранный момент времени давление кислорода в процессе анодного окисления холодного катода в тлеющем разряде, рассчитывают среднюю толщину окисной пленки алюминия на рабочей поверхности холодного катода определенной конфигурации в выбранный момент времени анодного окисления в тлеющем разряде кислорода по формулеA method for determining the thickness of an aluminum oxide film in the process of anodic oxidation of a cold cathode in a glow discharge of oxygen, including creating a high vacuum in the control region, characterized in that they determine the working surface area of the cold cathode of a certain configuration, the internal volume of the vacuum region occupied by a vacuum sensor located outside the region a cold cathode and a vacuum channel connected to a vacuum region containing a technological device with a cold cathode, the internal volume of the vacuum region The parts occupied by the cold cathode technological device fill the vacuum system and vacuum regions with oxygen to a constant pressure, disconnect the vacuum regions from the vacuum system, and fix the value of the steady-state pressure in the vacuum regions containing the vacuum sensor and, before starting the glow discharge discharge in the cold cathode technological device, technological device with a cold cathode, ignite a glow discharge in the internal volume of the vacuum region occupied by the technological device with a cold cat At the same time, the oxygen pressure is recorded at a selected point in time by the oxygen pressure during the anodic oxidation of the cold cathode in a glow discharge, the average thickness of the aluminum oxide film on the working surface of a cold cathode of a certain configuration at a selected time of anodic oxidation in a glow discharge of oxygen is calculated by the formula h=7,01(nS)-1(V1+NV2)(P1-P2)+h0,h = 7.01 (nS) -1 (V 1 + NV 2 ) (P 1 -P 2 ) + h 0 , где h - средняя толщина окисной пленки алюминия для холодного катода с шероховатостью рабочей поверхности менее 0,63 мкм, нм;where h is the average thickness of the aluminum oxide film for the cold cathode with a surface roughness of less than 0.63 μm, nm; V1 - внутренний объем вакуумной области, занимаемой датчиком вакуума, м3;V 1 - the internal volume of the vacuum region occupied by the vacuum sensor, m 3 ; N - количество технологических приборов с холодными катодами;N is the number of technological devices with cold cathodes; V2 - внутренний объем одного технологического прибора с холодным катодом, м3;V 2 - the internal volume of one technological device with a cold cathode, m 3 ; P1 - установившееся давление кислорода в объеме V1 перед началом анодного окисления холодного катода, Па;P 1 - steady-state oxygen pressure in the volume V 1 before the start of anodic oxidation of the cold cathode, Pa; Р2 - давление кислорода в объеме V1 в выбранный момент времени в процессе окисления холодного катода, Па;P 2 is the oxygen pressure in the volume V 1 at a selected point in time during the oxidation of the cold cathode, Pa; n - количество одновременно обрабатываемых холодных катодов;n is the number of simultaneously processed cold cathodes; S - площадь рабочей поверхности одного холодного катода определенной конфигурации, м2;S is the area of the working surface of one cold cathode of a certain configuration, m 2 ; h0 - средняя толщина окисной пленки алюминия на холодном катоде перед началом зажигания тлеющего разряда при начальной температуре катода, нм.h 0 is the average thickness of the aluminum oxide film on the cold cathode before the start of the glow discharge ignition at the initial cathode temperature, nm.
RU2016116368A 2016-04-27 2016-04-27 Method for determining thickness of aluminium oxide film during anodic oxidation of cold cathode in glow oxygen discharge RU2627945C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016116368A RU2627945C1 (en) 2016-04-27 2016-04-27 Method for determining thickness of aluminium oxide film during anodic oxidation of cold cathode in glow oxygen discharge

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016116368A RU2627945C1 (en) 2016-04-27 2016-04-27 Method for determining thickness of aluminium oxide film during anodic oxidation of cold cathode in glow oxygen discharge

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2627945C1 true RU2627945C1 (en) 2017-08-14

Family

ID=59641876

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016116368A RU2627945C1 (en) 2016-04-27 2016-04-27 Method for determining thickness of aluminium oxide film during anodic oxidation of cold cathode in glow oxygen discharge

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2627945C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2683879C1 (en) * 2018-06-20 2019-04-02 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук Method for determining the linear coefficient of thermal expansion of a thin transparent film
RU2701783C2 (en) * 2018-01-26 2019-10-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет" (ННГАСУ) Information-measuring system for monitoring thickness and mass of dielectric flat products

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1572170A1 (en) * 1987-04-21 1992-07-30 Предприятие П/Я В-8769 Method of inspection of dielectric film thickness on electrically conducting substrate
RU2087861C1 (en) * 1995-07-13 1997-08-20 Товарищество с ограниченной ответственностью "Фрактал" Method testing parameters of film coat in process of change of film thickness on backing and device for its implementation
RU2525856C1 (en) * 2013-04-16 2014-08-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (ОАО "НИИ "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха") Process device for treatment of hollow cold cathode in gas discharge

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1572170A1 (en) * 1987-04-21 1992-07-30 Предприятие П/Я В-8769 Method of inspection of dielectric film thickness on electrically conducting substrate
RU2087861C1 (en) * 1995-07-13 1997-08-20 Товарищество с ограниченной ответственностью "Фрактал" Method testing parameters of film coat in process of change of film thickness on backing and device for its implementation
RU2525856C1 (en) * 2013-04-16 2014-08-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (ОАО "НИИ "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха") Process device for treatment of hollow cold cathode in gas discharge

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
А.П. Королев, Д.М. Мордасов, Определение толщины пленки Al 2 O 3 на холодных катодах оптическим методом, Вестник ТГТУ, том 18, N 3, стр. 683-687, 2012. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2701783C2 (en) * 2018-01-26 2019-10-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет" (ННГАСУ) Information-measuring system for monitoring thickness and mass of dielectric flat products
RU2683879C1 (en) * 2018-06-20 2019-04-02 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук Method for determining the linear coefficient of thermal expansion of a thin transparent film

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kaiser et al. High damage threshold Al2O3SiO2 dielectric coatings for excimer lasers
Riede et al. Laser-induced contamination on space optics
Zhang et al. High laser-induced damage threshold HfO2 films prepared by ion-assisted electron beam evaporation
Axente et al. Accurate analysis of indium–zinc oxide thin films via laser-induced breakdown spectroscopy based on plasma modeling
RU2627945C1 (en) Method for determining thickness of aluminium oxide film during anodic oxidation of cold cathode in glow oxygen discharge
EP1590305B1 (en) Transparent titanium oxide-aluminum and/or aluminum oxide coating with rutile structure
Riede et al. Laser-induced hydrocarbon contamination in vacuum
Stirling et al. Investigation of the Sputtering of Aluminum Using Atomic‐Absorption Spectroscopy
Riede et al. Analysis of the air-vacuum effect in dielectric coatings
WO2015150677A1 (en) Process and apparatus for measuring an organic solid sample by glow discharge spectromety
Hoffmann et al. Interference phenomena at transparent layers in glow discharge optical emission spectrometry
Ling et al. Effects of water vapor in high vacuum chamber on the properties of HfO2 films
Dorka et al. Investigation of SiO2 layers by glow discharge optical emission spectroscopy including layer thickness determination by an optical interference effect
Leontowich et al. Low background, UHV compatible scintillator detector for the CLS cryo scanning soft X-ray microscope
Starke et al. Laser-induced damage thresholds and optical constants of ion-plated and ion-beam-sputtered Al2O3 and HfO2 coatings for the ultraviolet
NL2029605B1 (en) Method for detecting content distribution of deuterium in tungsten with radio-frequency glow discharge optical emission spectrometer
Reicher et al. Damage thresholds of HfO2/SiO2 and ZrO2/SiO2 high reflectors at 1.064 microns deposited by reactive DC magnetron sputtering
Pokorný et al. Thermally stimulated exoelectron emission from the surface of black aluminum layers prepared by PVD methods
Zajec et al. Hydrogen permeability through beryllium films and the impact of surface oxides
Smith et al. Reducing the stress of hafnia/silica multilayers with ion-assisted deposition for use in high-power diffraction gratings
Harhausen et al. Concepts for in situ characterization and control of plasma ion assisted deposition processes
Burmakov et al. Characteristic features of the formation of a combined magnetron-laser plasma in the processes of deposition of film coatings
RU2180109C2 (en) Method of one-layer-at-a-time analysis of thin films
Khalmanov et al. Study of traces of elements on a universal laser photoionization spectrometer
Fletcher A Study of Alkali-Resistant Materials for Use in Atomic Physics Based Systems