71581

ВАКУМНОЕ НАПЫЛЕНИЕ (ВН) ПОКРЫТИЙ

Лекция

Производство и промышленные технологии

ВН -– группа методов объединённых общим принципом создания при пониженном давлении поНД потока корпускулярных частиц атомы молекулы ионы и их осаждения на напыляемой поверхности Пв НП. При этом должно быть обеспечено отсутствие в потоке напыляемых частиц НЧ конденсированной фазы...

Русский

2014-11-09

207.5 KB

6 чел.

Основная литература:

1. Бобров Г.В., Ильин А.А. Нанесение неорганических покрытий: Теория, технология, оборудование. - М.: Интермет Инжиниринг, 2004. 623 с.

2. Ефремов А.М., Светцов В.И., Рыбкин В.В. Вакуумно-плазменные процессы и технологии. Учебное пособие. - Иваново, 2006. 260 с.

3. Ковенский И.М., Поветкин В.В. Металловедение покрытий: Учебник для вузов. - М.: Интермет Инжиниринг, 2000. 296 с.

4. Г.П. Фетисов, Ф.А. Гариффулин. Материаловедение и технология металлов: учеб. - М.: ОНИКС, 2009. 619 с.

Дополнительная литература:

1. Кудинов В.В. Нанесение покрытий плазмой. - М.: Наука, 2000. 326 с.

2. Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование: Учебник для вузов. - М.: Металлургия, 1992. 432 с.

3. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. Под ред. Б.С.Митина. - М.: Металлургия, 1987. 735 с.

4. Юдина Т.Ф., Ершова Т.В. Специальные технологии нанесения покрытий: лабораторный практикум. - Иваново: Ивановский гос. хим.-технол. университет, 2004. 76 с.

5. Эпельфельд А.В., Крит Б.Л. Методы нанесения тонких покрытий в вакууме. Основные виды оборудования. Методические указания к выполнению лабораторной работы. - М.: МАТИ, 2011. 24 с.

6. Крит Б.Л., Эпельфельд А.В. Технология нанесения тонких пленок методом термического испарения и ионного распыления. Контроль параметров пленки и ее эксплуатационных характеристик. Методические указания к выполнению лабораторной работы. - М.: МАТИ, 2011. 16 с.

Программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

1. www.nppesto.ru/tehnologiya.html - вакуумные и лазерные технологии.

2. www.crit-f.ru/vacuum.html - вакуумное напыление.

3. www.thinfilms.spb.ru/rus/.../vacdep/ - вакуумное напыление.

4. www.tspc.ru/tech/VACUUM.php - технологии вакуумного напыления.

5. www.matweb.com - база данных по материалам


Лекция 1

ВАКУМНОЕ НАПЫЛЕНИЕ (ВН) ПОКРЫТИЙ (Пк)

 

Покрытия, напыленные в вакууме, широко используются в качестве конструкционных, защитных (ИС, КС, ТС, ЭИ), декоративных, технологических.

ВН – группа методов, объединённых общим принципом создания при пониженном давлении (поНД) потока корпускулярных частиц (атомы, молекулы, ионы) и их осаждения на напыляемой поверхности (Пв) - НП.

                                                                                                                                     

                                             НП

                                                                           вакуумная камера

                              

            натекатель                         НЧ                     Пк

                                                                энергия                               

                    экран                                                    НМ        

                                                                         откачка

Три основные стадии ВН:

1) перевод напыляемого материала (НМ) в газообразное состояние. При этом должно быть обеспечено отсутствие в потоке напыляемых частиц (НЧ) конденсированной фазы (жидких или твёрдых частиц);

2) формирование потока НЧ и их транспортирование к НП. При этом желательна максимальная ионизация НЧ (пара) для повышения их энергии и обеспечения возможности управления этим потоком с помощью электрических и/или магнитных полей;

3) осаждение (конденсация) НЧ на НП в виде Пк (плёнок).

ВН проводится в вакуумных камерах с остаточным давлением Рк = 10-3÷101 Па - этим достигается необходимая длина свободного пробега НЧ (lсп) и их защита от взаимодействия с атмосферой.

В основе ВН лежат процессы испарения или распыления материалов в вакууме и получения потока НЧ с заданными параметрами.

Производительность ВН (Gн) ниже газотермического напыления (ГТН) и составляет в среднем ~1 мкм/мин, обеспечивая толщину покрытий hпк примерно от 10 нм до 100 мкм.

Главное достоинство ВН состоит в получении Пк высокого качества с высокой прочностью сцепления с основой σсц относительной плотностью γ, приближающейся к 100 % (пористость П → 0), а недостаток – сложность и высокая стоимость оборудования и технологий.

Классификация методов ВН 

(I) По способу испарения и конденсации НМ:

1) термовакуумное испарение (ТВИ); 2) ионное распыление (ИР); 3) ионное осаждение (ИО).

(II) По взаимодействию потока НЧ с остаточными газами в рабочей камере:

1) напыление в инертной разреженной среде; 2) напыление в активной разреженной среде - метод реактивного ВН (РВН).

(III) По энергетическому состоянию НЧ: 1) напыление атомарными и молекулярными потоками НЧ (энергия частиц W 0,5 эВ; 2) напыление ионизированными потоками НЧ, в том числе ускоренными (W - до 1000 эВ).

Основные методы ВН 

Термовакуумное испарение (ТВИ) - заключается в нагреве НМ в вакууме до температуры, при которой давление паров НЧ Рп над его Пв достигает 1,33 Па (10-2 Торр) и более, дальнейшем его испарении и последующей конденсации паров на НП (Рк ≤ 10-2 Па; 1 атм = 105 Па = 760 Торр).

Ионное осаждение (ИО) – разновидность ТВИ – проводится в электрическом разряде в среде Ar, причем НП служит катодом (К), а испаритель анодом (А) тлеющего разряда (ТР).

Ионное распыление (ИР) распыление в вакууме Пв-ти НМ ускоренными положительными ионами рабочего газа (Ar+) и конденсация распылённых частиц (атомы, ионы) на НП (Рк = 10-2÷101 Па).

Реактивное ВН (РВН) - осуществляется при подаче в рабочую камеру небольшого количества активных газов (N2, O2, CO), которые, вступая в химическую реакцию с НЧ, обеспечивают осаждение на НП готовых химических соединений (соответственно нитриды, оксиды, карбиды). При этом способ создания потока НЧ может быть любым.

Выбор способа ВН определяется требованиями к Пк с учётом  экономической эффективности, производительности и др. Наиболее перспективны методы ВН с ионизацией потока НЧ, стимулированной плазмой (ионно-плазменные методы).

Основные общие параметры ВН

При ВН большое количество параметров оказывают влияние на качество Пк (остаточные напряжения ОН в покрытии, пористость, прочность сцепления σсц и др.), производительность Gн (определяется скоростью распыления Vр и коэффициентом использования материала Км), коэффициент использования энергии (КИЭ) и др.

Конструктивные параметры 

1) Размеры и конструкция рабочей камеры определяются геометрией НП, необходимой загрузкой, конструкцией испарителей, распылителей, необходимой внутрикамерной оснастки и др. Увеличение размеров камеры уменьшает колебание давления в ней, но связано с повышением газоотделения с внутренних стенок вакуумной камеры.

2) Средства откачки. Качество Пк зависит от способа вакуумирования рабочей камеры (лучше всего безмасляная откачка).

3) Конструкция испарителей и распылителей. Испаритель (распылитель) должен обеспечивать максимальный КИЭ. Например, целесообразны конструкции без использования принудительного охлаждения.

 

Параметры режима работы испарителя (распылителя)

Общий параметр - удельная мощность - это энергия, затрачиваемая на создание потока НЧ единичной плотности N = 1.

С увеличением энергии, подводимой к НМ, Рп, N, а следовательно скорость напыления Vн и Gн, будут расти, также будет расти и энергия НЧ W.

С повышением плотности потока НЧ N уменьшается критическая величина зародышей (rкр) и увеличивается скорость их образования, что обеспечивает мелкозернистую структуру Пк и его хорошие механические свойства.

При высокой скорости напыления Vн обычно формируется столбчатая структура Пк, т. к. процесс осаждения протекает без существенной Пв диффузии. Таким образом, мощность влияет на структуру Пк. Однако при высокоскоростном испарении повышается количество конденсированной фазы в потоке НЧ, которую необходимо отсепарировать.

Для повышения эффективности ВН необходимо увеличивать степень ионизации ni потока НЧ. С этой целью НЧ (пар) ионизируются за счет введения дополнительной энергии (например, тлеющего ТР или дугового разряда ДР, электромагнитного поля и др.). Последующее ускорение ионов в направлении к НП осуществляют электромагнитным или электрическим полями.

Параметры НМ 

1) Физико-химические свойства НМ. Это, прежде всего, температура плавления и кипения испаряемого материала, его условная температура испарения Ти (температура, при которой давление пара Рп над Пв испаряемого материала равно 1,33 Па или 10-2 Торр), а также электронная структура распыляемого материала.

2) Температура НМ. При ТВИ температура НМ оказывает решающее значение, а при ИР или нагреве ДР - не играет существенной роли.

3) Форма и размеры НМ. Выбор формы НМ определяется способом испарения или распыления, условиями его ввода в зону распыления, его физико-химическими свойствами и др. Это могут быть стержни, диски, таблетки, проволоки, порошки (Пр), гранулы.

Размер НМ выбирают, исходя из условий оптимальной площади испарения или распыления Sр, max Км (mпкmнм), равномерности подачи НМ в зону распыления.

Параметры, характеризующие внешние условия ВН 

1) Дистанция напыления L. Vн обратно пропорциональна (L)2:

Vн = Vр Sр соsα/4πL2

для точечного источника распыления, где α  угол между направлением потока НЧ и перпендикуляром к НП и

Vн = Vр Sр соsα cosθL2

для плоского источника распыления, где θ  угол между направлением потока НЧ и перпендикуляром к Пв испарения (распыления) (см.).

Равномерность Пк по толщине растет с увеличением L, однако при этом снижаются Км и σсц. Поэтому, на практике для повышения этой равномерности используют и другие приемы: задействуют несколько испарителей (распылителей), приближают конфигурацию Пв распыления к форме НП, применяют перемещение НП и др.

Для различных способов ВН L может находиться в пределах от 20 до 500 мм.

2) Остаточное давление Рк в рабочей камере. Рк определяет длину свободного пробега lсп НЧ. Так, при Рк = 10-4 Па, lсп = 1000 мм, а при Рк = 0,1 Па, lсп = 1 мм.

С ростом Рк повышается равномерность Пк по толщине, однако существенно снижается Vн.

Если при ВН используется электрический разряд (ТР или ДР), то для его стабильного горения необходимо повышать Рк.

При РВН Рк активных газов является определяющим с точки зрения синтеза соответствующих соединений.

3) Температура НП Тнп - один из наиболее значимых параметров ВН. Тнп влияет на структуру Пк, уровень ОН в Пк, σсц Пк с НП и др. свойства.

Зависимость структуры относительно толстых (> 1 мкм) Пк от Тнп описывают трёхзонной моделью в зависимости от Тпл НМ (рис. а).

                         а)                                         б)                                       в)

                   0,3Тпл  0,5Тпл                                                        N, ч-ц/см2·с    

                                                                                 σсц       1024

                                                                                     δ      1020     I      III

                                                                                        σв  1016  

                                Тнп                                             Нμ    Тнп                II    W, эВ/ат

                                                                                     10-1 100         105

В 1-й зоне низких температур НТ (< ~0,3Тпл) Пк имеет специфическое куполообразное строение. Во 2-й зоне (0,3Тпл < T < 0,5Тпл) Пк имеет ярко выраженное столбчатое строение. В 3-й зоне высоких температур ВТ (> ~0,5Тпл) Пк имеет преимущественно равноосную структуру (начинается рекристаллизация РКР материала Пк). Метод ВН и ni мало влияют на температурные границы этих зон.

Изменяя Тнп и, таким образом, структуру Пк, можно регулировать его механические свойства (рис. б). σсц и δ с повышением Тнп возрастают, особенно для НЧ с низкой W, а Нμ и σв, наоборот, снижаются. В зависимости от материала Пк и НП ее подогрев осуществляют от 300 ºС и выше, учитывая конструкцию напыляемых изделий. Однако, при ВТ НП (близких к Тпл НМ) начинается реиспарение Пк и снижается Gн.

Параметры потока НЧ

Сочетание N (ч-ц/см2·с) и W (эВ/ат) НЧ для различных способов ВН приведены на диаграмме (рис. в):

- область I характеризуется высокой N и малой W НЧ (ТВИ);

- область II характеризуется малой N и высокой W НЧ (ИР с с последующей ионизацией НЧ и их ускорением);

- область III характеризуется высокими N и W НЧ (дуговое испарение с последующей ионизацией НЧ и их ускорением).

ni (%) зависит от способа ВН. ТВИ даёт малую ni, которая может быть повышена применением дополнительных источников энергии.

Скорость частиц Vч (м/с) в направлении к НП также зависит от способа ВН, ni и наличия или отсутствия ускоряющих устройств и составляет 2000 м/с и более.

Угол расхождения потока НЧ φ° (см.) определяется способами ВН, формой Пв испарения (распыления) и др.

ТЕРМОВАКУУМНОЕ ИСПАРЕНИЕ

Наиболее высокая эффективность испарения реализуется при нагреве НМ выше его Тпл, однако возможно испарение с достаточно высокой скоростью и некоторых твёрдых материалов (сублимация).

Для ТВИ необходим испаритель. Его назначение – удерживать расплавленный материал при температуре, достаточной для получения требуемого Рп (1,33÷100 Па). Материал испарителя не должен взаимодействовать с НМ. Кроме того, испаритель должен обеспечивать min тепловые потери.

Наиболее чистый поток пара обеспечивается при локальных способах нагрева, например ЭЛИ. Одновременное применение нескольких испарителей позволяет получать равномерные по толщине и сложные (по составу) Пк.

Основной параметр испарителя – мощность источника теплоты, от которого зависят температура НМ (Тнм) и Gн.

Основным показателем эффективности ТВИ является скорость испарения (Vи) НМ.

Vи (г/см2с) связана с Рп (Па) эмпирическим соотношением:

Vи = 4,44.10-4Рп.√(М/Ти)            ,

где М – молекулярная масса НМ; Ти – условная температура испарения НМ (К), при которой его Рп = 1,33 Па (10-2 Торр).

Регулируя мощность источника теплоты, Тнм доводят до температуры выше Ти. Особенно следует отметить, что повышение Тнм на
10-15 % приводит к увеличению
Рп и Vи ~ на порядок.

В таблице приведены Ти, Тпл и Ткип (°С) для различных материалов.

     Ме      Cd      Al      Cu      Cr      Ni       Ti      Mo     W     NaCl  SiO2  Al2O3   

     Ти       204   1220   1260  1400  1530   1750  2530  3230   670    1250  1800

     Тпл          320    660   1083  1845  1455   1672  2622  3345  800,8  1993  2320  

     Ткип     767   2370  2595  2508  2730   3260  4804  5930   1465  2250  3250

Рп и Vи, кроме того, зависят от состояния Пв испаряемого НМ: включения, оксидные пленки, газообразные примеси в нем уменьшают Рп и Vи.

Большое значение имеет форма и размеры Пв испарения, в частности постоянство уровня ванны расплава и ее подпитка, например, подачей стержня (см.) или подсыпкой Пр из дозатора.

Рк при ТВИ должно быть ≤ 10-2 Па, иначе Рп и Vи падает. При  слишком высоком Рп (> 133 Па или 1 Торр) над испаряемым материалом Vи начинает снижаться в связи с уменьшением lсп.

L обычно выбирают в пределах 150÷250 мм.

Тнп очень сильно влияет на σсц. В таблице приведены min значения Тнп в °С для различных сочетаний материалов Пк и подложки. Однако Тнп не должна быть слишком высокой во избежание реиспарения Пк.

       Материал     Материал подложки          Тнп min, ºС                          

             Пк            Ti       Cu         Mo       Fe        Nb       Ni         

             Mo           650      500      750       350      400      400        

             Cr            650       450      700      600         -        400      

             Cu              -           -         400      450      400      350      

              Ni              -         350      500      350         -           -       

Если вышеуказанные параметры выдерживаются, то характеристики потока НЧ следующие: N = 1016÷1022 ч-ц/см2с; W = 0,2÷0,5 эВ;
ni = 0,01÷1,2 %. При этом Vн составляет около 1 мкм/мин.

 

Классификация испарителей

Качество Пк в значительной мере определяется способом нагрева и конструкцией испарителя, выбор которых зависит от НМ и его исходного состояния, требуемой Vи и др.

Нагрев может осуществляться 4-мя основными способами.

1) Резистивным способом при прохождении электрического тока:

а) через испаряемый НМ (непосредственный нагрев);

б) через испаритель с находящимся в нем НМ (прямой нагрев);

в) через отдельный нагревательный элемент, находящийся в контакте с испарителем (косвенный нагрев).

2) Высокочастотным (ВЧ) электромагнитным полем (индукционный нагрев);

3) При бомбардировке НМ ускоренным потоком электронов (электронно-лучевые испарители ЭЛИ);

4) Электрической дугой (дуговой нагрев).

 

Резистивный нагрев

Достоинством способа является простота устройств, удобство регулирования и контроля режимов.

Требования к материалам испарителей: 1) Рп материала испарителя при Ти НМ должно быть минимальным; 2) материал испарителя должен хорошо смачиваться расплавленным НМ – для лучшего теплового контакта; 3) между материалом испарителя и НМ не должно образовываться химических соединений и летучих сплавов (разрушение испарителей и загрязнение Пк).

Конструктивно различают: 1) проволочные; 2) ленточные (лодочные); 3) тигельные испарители (см.).

Проволочные испарители изготавливают из тугоплавких Ме (W, Mo, Nb), используя проволоку диаметром 0,51,5 мм.

Ленточные испарители изготавливают из тех же тугоплавких Ме в виде фольги толщиной 0,1-0,5 мм, которые имеют специальные углубления для НМ – порошков металлов или неорганических соединений. Ленточные испарители при том же, что и проволочные, сечении потребляют большую мощность из-за потерь на тепловое излучение.

Тигельные испарители изготавливают из тугоплавких Ме, оксидной керамики (Al2O3, BeO, ZrO2) или графита. В них можно испарять большее, чем в проволочных или ленточных испарителях количество НМ.

Для испарения сплавов и соединений из компонентов с резко отличающимися Vи применяют испарители взрывного (дискретного) действия. Температура Пв испарителя, на который попадают мелкодисперсные частицы НМ, такова, что они мгновенно испаряются.

Основные недостатки резистивного нагрева – ограниченность по температуре (Ти < 1500 °С) из-за свойств самого испарителя и энергоёмкость испарителей.

 

ВЧ индукционный нагрев 

При таком нагреве переменное электромагнитное ВЧ поле, создаваемое индуктором, разогревает НМ в течение нескольких секунд непосредственно в тигле, изготовленном, например из BN + TiB2 (для Al).

Достоинства: 1) использование энергии – более эффективно;
2) уменьшается взаимодействие между
НМ и тиглем.

Недостатки: 1) дорогое оборудование; 2) требуются дополнительные производственные площади для размещения ВЧ генератора.

Электронно-лучевое испарение 

Схема ЭЛИ приведена на рис. Поток электронов (5), эмитированных термокатодом электронно-лучевой пушки (3), ускоряется электрическим полем (U = 5÷60 кВ) и с помощью фокусирующей и отклоняющей электромагнитных систем (9, 10) направляется на Пв испаряемого НМ (2). Таким путем обеспечивается непосредственный подвод к Пв испарения кинетической энергии электронов, которая переходит в тепловую.

 

                                                        НП  

электронная пушка                          Пк

                                                                            Ar         

а)                        е                                        б)                                        ТР             

                                                    НМ                                 :               :                            

                                                                                                                                  +

     

                                                 откачка                                               откачка                    

Достоинства: 1) фокусировка электронного пучка позволяет получать высокие плотности энергии (до 5108 Вт/см2) и испарять с большой Vи самые тугоплавкие материалы; 2) повышенная энергия НЧ, что позволяет получать Пк хорошего качества с высокой σсц с НП.

Недостатки: 1) сложность и высокая стоимость оборудования; 2) жёсткое (тормозное) излучение.

В целях интенсификации процессов ВН проводят активацию потока НЧ при ТВИ, например, с помощью ионного осаждения.

Ионное осаждение 

ИО проводят с целью активации процессов зарождения и роста Пк. Суть ИОТВИ в электрическом разряде 6 в среде Ar, поступающего в рабочую вакуумную камеру 1 через натекатель 9. При этом НП 7 служит катодом (К), а испаритель 3 анодом (А) ТР 6, зажигаемого с помощью источника питания 2. Нагрев и испарение НМ осуществляются любым из приведенных выше способов. На рис. приведена схема ИО с индукционным нагревом 4.

Последовательность технологических операций при ИО:

1) предварительная откачка рабочей камеры до Рк = 10-4÷10-3 Па;

2) напуск в рабочую камеру Ar до Рк = 10-1÷1 Па;

3) подача «–» потенциала 1÷5 кВ на НП, при этом между НП и испарителем возбуждается ТР;

4) очистка НП в ТР ускоренными ионами Ar+ (ni  10 %);

5) нагрев НМ и начало процесса ТВИ, при этом совмещение на ранних стадиях процессов распыления и напыления на НП обеспечивает формирование переходного слоя с высокой σсц между НП и Пк;

6) прекращение напуска Ar в рабочую камеру, в результате чего ТР гаснет, и далее продолжается процесс обычного ВН.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

8852. Бухгалтерские счета и двойная запись 202.88 KB
  Бухгалтерские счета и двойная запись Цель лекции: студент должен познакомиться с понятиями бухгалтерский счет, двойная запись. Содержание. Понятие бухгалтерского счета. Структура бухгалтерского счета. Виды бухгалтерских счетов. Акт...
8853. Хозяйственные операции и хозяйственные процессы 68.54 KB
  Хозяйственные операции и хозяйственные процессы Цель лекции: студент должен познакомиться с понятиями хозяйственные операции, хозяйственные процессы. Содержание 1. Понятие хозяйственного процесса и хозяйственной операции 1 2.1. Характеристика ...
8854. Классификация счетов бухгалтерского учета 120.33 KB
  Классификация счетов бухгалтерского учета Цель лекции: студент должен познакомиться с классификацией счетов бухгалтерского учета. Содержание 1. Классификация счетов по отношению к балансу 1 2. Классификация счетов по экономическому содержанию, стр...
8855. Cчета синтетического и аналитического учета 108 KB
  Cчета синтетического и аналитического учета. Цель лекции: студент должен познакомиться с понятиями синтетический и аналитический счет. Содержание. Взаимосвязь счетов бухгалтерского учета и бухгалтерского баланса. Синтетические и аналитич...
8856. Оценка хозяйственных средств и калькуляция себестоимости продукции (работ, услуг) 54.74 KB
  5 Оценка хозяйственных средств и калькуляция себестоимости продукции (работ, услуг) Цель лекции: студент должен познакомиться со способами оценки хозяйственных средств. Содержание 1. Оценка хозяйственных средств 1 2. Способы оценки хозяйственных сре...
8857. Бухгалтерский баланс, его структура и виды 219.66 KB
  Бухгалтерский баланс Цель лекции: студент должен познакомиться с понятием бухгалтерский баланс, его структурой, видами. Содержание. Понятие бухгалтерского баланса. Структура бухгалтерского баланса. Виды бухгалтерских балансов...
8858. Документация хозяйственных операций 146.44 KB
  Документация хозяйственных операций Цель лекции: студент должен познакомиться со способами ведения документации хозяйственных операций Содержание. Документация. Классификация бухгалтерских документов. Характеристика первичных документов...
8859. Виды и назначение отчетности 84.27 KB
  Виды и назначение отчетности Цель лекции: студент должен познакомиться с видами отчетности и системой их показателей Содержание. Понятие отчетности. Классификация отчетности. Виды отчетности. Требования, предъявляемые к отчетно...
8860. Сценарий экологического праздника. И кошке доброе слово приятно. Сценарий экологического праздника 63.5 KB
  Сценарий экологического праздника И кошке доброе слово приятно Цель: представить и обобщить результаты коллективной творческой деятельности учащихся в ходе реализации экологического проекта Кошкин дом. Задачи: обобщить и дополнить знания уча...