Популярные Нано Технологии

Размещение материала

Для размещения материала в данном разделе заполните пожалуйста эту форму.

Кадры

Фотогалерея

Технология нанесения наноструктурных покрытий методом магнетронного напыления

 

В технологии нанесения покрытий заранее сложно предсказать результат: будет ли получено покрытие с заданными свойствами, необходимой структурой, химическим составом, высокой адгезией. Требуется опыт и экспериментальный подход для разработки технологического процесса: последовательности технологических операций и выбора режимов работы оборудования. Однако можно выделить несколько методов [5] получения наноструктурных покрытий, которые основаны на ограничении роста кристалла на нано уровне в процессе роста пленки.

1. Осаждение нитридов металлов на подложку совместно с легирующими (5-12%) элементами (Cu, Ni, Al, C, BN, Si, Si3N4), ограничивающих рост зерен на уровне наноразмеров и стимулирующих зарождение новых зерен в процессе нанесения покрытия. Легирующие атомы и химические соединения вытесняются на поверхность растущего нанокристалла, образуя оболочку, препятствующую росту нанокристалла. Легирующие элементы входят в материал катодов (Ti–Al–Si, Ti–Si) плазменных источников.

2. Нанесение многослойных покрытий с различным химическим составом слоев, имеющих толщину до 100 нм.

3. На структуру защитной пленки влияют условия на подложке, при которых происходит осаждение атомов и молекул. К ним относятся температура подложки, а также бомбардировка растущей пленки ионами, ускоренными из плазмы до энергий (30-200 эВ), когда к подложке приложено отрицательное электрическое смещение. Ионы передают энергию атомам растущей пленки, увеличивая их подвижность для более эффективного протекания диффузионных процессов на поверхности.

На рис. 5 показана вакуумная установка, позволяющая реализовать три метода получения наноструктурных покрытий. В центре цилиндрической или прямоугольной вакуумной камеры расположен планетарный механизм вращения подложек. По периметру вакуумной камеры установлены один или несколько магнетронных или дуговых источников плазмы. Для предварительной очистки и активации поверхности подложки вакуумная камера оснащается ионным источником и нагревательным элементом. При равномерном нагреве вращающихся деталей происходит испарение углеводородных соединений и увеличение подвижности поверхностных атомов и молекул. Для очистки поверхности от оксидной пленки и загрязнений применяется распыление поверхности ионным пучком с энергией частиц 1-1,5 кэВ, выходящим из ионного источника. Предварительная обработка поверхности в вакууме значительно улучшает адгезию защитной пленки. Универсальная вакуумная установка (рис. 5) используется в промышленном производстве для нанесения различных покрытий: износостойких на металлообрабатывающие инструменты, декоративных, функциональных и оптических.

Рис. 5. Схема технологической установки для нанесения покрытий. 1, 2 – магнетроны с различными материалами катодов, 3 – ионный источник для предварительной очистки подложки, 4 – резистивный нагреватель, 5 – планетарный механизм вращения подложки, 6 – вакуумная камера, 7 – дверца для загрузки подложек, 8 – натекатель рабочего газа.

 

Самым простым методом получения наноструктурных покрытий с улучшенными свойствами является использование в плазменных источниках катодов, в материал которых входят легирующие добавки, препятствующие росту кристаллов (Ti-Al-Si, Ti-Si). Многокомпонентные катоды получают горячим спеканием порошков или методом высокотемпературного синтеза.

Многослойные покрытия с толщиной слоев 10–100 нм получают в результате многократного прохождения подложки рядом с плазменными источниками при вращении карусельного механизма. Для получения многослойных покрытий, у которых толщина слоев не превышает 100 нм, частота вращения карусельного механизма выбирается в зависимости от скорости напыления. Если ширина зоны напыления прямоугольного магнетрона на вращающемся барабане составляет величину L, скорость напыления W, диаметр вращающегося барабана d, толщина одного слоя h, то период вращения оценивается величиной T=πdh/WL. В вакуумной установке, оснащенной магнетроном со скоростью напыления 2 нм/с (7,2 мкм/час) и шириной зоны напыления 10 см на цилиндрическом барабане диаметром 30 см, для нанесения слоя толщиной 10 нм период вращения барабана должен составлять 45 с. Толщина одного слоя регулируется частотой вращения карусельного механизма и скоростью напыления, которая зависит от электрической мощности питания магнетрона. При увеличении расстояния от катода до подложки увеличивается ширина зоны напыления. Оптимальное расстояние между магнетроном и подложкой составляет 40-60 мм. Вращение карусельно-планетарного механизма позволяет получать однородные покрытия на всей поверхности обрабатываемых деталей и уменьшить их нагрев.

Если на подложку будет подано отрицательное электрическое смещение 30–100 В, то осаждение покрытия будет сопровождаться ионной бомбардировкой. При большой энергии бомбардирующих ионов ~1 кэВ процесс распыления будет преобладать над процессом осаждения покрытия.

Заключение

Технология получения наноструктурных покрытий во многом совпадает с традиционной технологией магнетронного и дугового нанесения твердых покрытий в вакууме. Из-за более высокой энергии осаждающихся частиц для генерации плазмы лучше всего подходят распылительные магнетроны и вакуумно-дуговые испарители. Для получения наноструктурных покрытий используются:
• катоды с легирующими добавками,
• вращение подложки для получения многослойных покрытий с толщиной слоев менее 100 нм,
• электрическое смещение подложки для ионной бомбардировки растущей пленки и нагрев подложки до относительно высокой температуры.

Список литературы

1. Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии.– М.: Высш. Шк., 1988.
2. Mahan J.E. Physical vapor deposition of thin films: John Wiley & Sons, 2000.
3. Кузмичев А.И. Магнетронные распылительные системы.– К.: Аверс, 2008.
4. Пашенцев В.Н. Характеристика плазмы магнетрона на больших расстояниях от катода // Прикладная физика. 2009, № 4, с.91–95.
5. Решетняк Е.Н., Стрельницкий В.Е. Синтез упрочняющих наноструктурных покрытий // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. 2008, №2, с.119-130.

Автор - Пашенцев Владимир Николаевич, Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”, pashentsev2001@mail.ru

<< первая < пред. 1 2 след. > последняя >>

Анонсы событий