Разработка технологических процессов вакуумно - конденсационных методов нанесения покрытия

 

Цель занятия: Реализация требований к знаниям и умениям, какими должен овладеть студент относительно определения основных параметров технологического процесса и их влияния на качество покрытия.

Среди методов упрочнения поверхностных слоев деталей машин и конструкций в последние годы все шире применяются методы вакуумно-конденсационногонанесения покрытия (ВКНП).

Техника ВКНП предусматривает использование корпускулярного потока вещества на уровне атомов, молекул, ионов и взаимодействия этого потока с поверхностью твердого тела. Следствием этого взаимодействия является или конденсация - осаждения вещества на поверхность - нанесения покрытия, или насыщение веществом поверхностного слоя - модифицирование поверхностного слоя легированием, имплантацией. Все эти процессы происходят в вакууме.

В англоязычной литературе процессы, которые используют такие физические явления, как испарение металлов, сплавов или катодное распыление в вакууме, ионизацию газов и паров металлов, физическое осаждение корпускулярного потока вещества, или соединения металла с газом (нитридов, карбидов, боридов, силицидов), полученных с использованием электрических явлений на поверхность холодной или незначительно подогретой основы называется PVD-процессы (Physical Vapour Deposition Processes).

Процессы ВНП (PVD) можно классифицировать по таким признакам:

1 По способам получения корпускулярного потока металлов и соединений:

· термическим испарением металла или соединения непрерывным или импульсивным действием источника нагрева;

· ионным распылением металлов и соединений.

2 По способу нанесения покрытия:

· конденсации из пара (evaporation-E)- нанесение не ионизированных или незначительно ионизированных (около части процента) паров металла или соединения, которые образовываются термическим испарением. Ионизация паров происходит не в той зоне где получают пар;

· Ионно-плазменное напыление (ion plating-IP)-нанесение паров металла или соединений путем испарения и термической сублимации, значительно ионизированных вакуумной дугой или другим источником ионизации по сравнению с конденсацией из пара;

· распыление (sputtering-S)- нанесение ионизированных паров металлов, полученных путем распыления металла ионами инертного газа, которые образовываются вследствие ионного разряда.

3 По способу активации процесса нанесения покрытия;

· без активации процесса нанесения покрытия;

· реактивный метод - который позволяет вследствие реакции реактивных газов (азота, кислорода, аммиака, углеродно-водородных газов) с паром металлов, получить соединения (нитриды, оксиды, карбиды, и т.д.) на напыляемой поверхности;

· активирование процесса ионизации газов и паров металла путем использования дополнительных физических процессов: тлеющего разряда, постоянных или сменных электрических или магнитных полей, и т.д.

Перемещение электронейтральных частиц в направлении напыляемого изделия происходит благодаря различию в парциональных давлениях паровой фазы. Наибольшее давление пара, которое достигает 133 Па и больше, имеет место около поверхности испарения (распыления). Это и обуславливает перемещение частиц в направлении изделия, где давление пара минимальное.

Если частица находится в ионизированном состоянии, то можно сформировать поток за счет действия на него электродинамических сил. Напыление покрытий из ионизированных паровых потоков более желательно, так как частицы имеют большую энергию и это облегчает образование покрытий.

Процессы реактивного термовакуумного испарения, в которых корпускулярный поток частиц активируется в зоне между источником вещества, которое испаряется и поверхностью, на которую наносится покрытие получили название активированное реактивное испарение (Activated Reactive Evaporation-ARE).

Процессы реактивного осаждения покрытия за счет активирования потока частиц, полученных ионным распылением при энергичном сопутствующем бомбардировании растущей пленки получили название реактивное ионное напыление (Reactive Ion Plating-RIP).

Процессы ионного распыления активированного реактивного испарения (ARE) и реактивного ионного напыления (RIP) получили общее название ионно-плазменного напыления (Plasma-Assisted (Activated) Physical Vapor Deposition (RA PVD)).

Для любого способа напыления необходимо иметь испаритель. Его назначение - удержать расплавленный материал при температуре достаточной для получения нужного давления пара . Для большинства материалов эти температуры превышают 1000°С.

Основным общим параметром режима работы испарителя является электрическая мощность, которая подводится к источнику теплоты: резистору, индуктору, дуге, электронному лучу. С увеличением мощности источника электропитания увеличивается мощность источника теплоты.

Регулирование мощности источника электропитания происходит по счет изменения тока и напряжения. С мощностью источника теплоты, распределением ее по поверхности нагревания, связанна температура испаряющегося материала и производительность процесса.

В практике напыления реализуются источнике электропитания мощностью от 0,5 до 200 кВт.

От температуры поверхности испарениязависит давление насыщенного пара и скорость испарения. Регулируя мощность источника теплоты, доказывают температуру испаряемого материала к уровню, при котором . С увеличением температуры испаряемого материала давление насыщенного пара резко увеличивается.

Так при испарении алюминия и хрома, увеличение температуры испарения на 10-15% приведет к увеличению приблизительно на порядок.

В табл.32. приведенны рекомендованные температуры испарения разных материалов для достижения давления насыщенного пара 1,33 Па.

 

Таблица 32 - Рекомендованные температуры испарения разных

материалов для достижения

 

Материал				Материал
Кадмий				Никель
Свинец				Титан
Серебро				Платина
Алюминий				Молибден
Медь				Вольфрам
Золото				Диоксид кремния
Хром				Диоксид алюминия

 

Кроме электрической мощности, которая подводится к источнику нагревания, к основным параметрам вакуумно-конденсационного метода напыления термическим испарением относятся:

· давление в камере, Па;

· дистанция напыления, мм;

· температура поверхности напыляемого изделия, °С.

Давление в камере выбирают от и ниже.При более высоком давлении скорость испарения падает. Над поверхностью получается приповерхностный слой. Давление в камере влияет на диффузию пара из этого слой. Необходимо заметить, что упругость пара практически не зависит от давления в камере .

При высоком давлении насыщенного пара скорость испарения уменьшается. Это объясняется уменьшением длины свободного пробега частиц над испарителем.

Давление в камере влияет на равномерность нанесения напыляемых покрытий. На практике иногда используют увеличение давления для получения покрытий с большей равномерностью по толщине.

Дистанцию напылениявыбирают в пределах 150...250мм. Для оптимальных значений давления в камере это меньше длины свободного пробега напыляемых частиц. Дистанция напыления существенно влияет на равномерность покрытия.

При ВКНП паровые потоки можно описать законами Ламберта-Кнудсена. Первый закон констатирует, что интенсивность пара в направлении поверхности напыления пропорционален косинусу угла расхождения потока от точечного источника. Второй закон связывает количество осажденного материала в покрытии в зависимости от дистанции напыления. Оно обратно пропорционально квадрату расстояния от распылителя до поверхности напыления.

Например, при испарении из маленькой поверхности, равномерное покрытие при дистанции напыления составляет пятно диаметром 80...120мм. Увеличения дистанции напыления способствует равномерности покрытия по толщине, но при более чем оптимальном расстоянии снижает коэффициент использования материала (КНМ).

Температура поверхности напыляемого изделия является одним из важнейших параметров процесса напыления. Она существенно влияет на адгезионную прочность, структуру покрытия, уровень остаточных напряжений и таким образом на качественные характеристики покрытия.

При формировании толстых покрытий (больше мкм)в зависимости от температуры разные исследователи предлагают трехзонную модель структуры покрытия. В первой (низкотемпературной зоне) покрытие формируется при температурах напыляемой поверхности от обычной для окружающей атмосферы к предельной температуре ( температура плавления распыляемого материала).

При низких температурах в покрытии формируется специфическая куполовидная структура кристаллитов. Во второй зоне (средне температурной) в интервале температур в покрытии формируется ярко выраженное столбчатое строение. Причем с увеличением температуры толщина столбчатых кристаллов возрастает. Температура оценивается приблизительно 0,450,5от температуры плавления материала покрытия .

В третий (высокотемпературной) зоне при температуре напыляемой поверхности, выше в покрытии формируется преимущественно равновесная структура. При температуре поверхности напыления выше в покрытии происходят процессы объемной кристаллизации, которые приводят к росту зерна.

Изменяя температуру напыляемой поверхности, и соответственно структуру покрытия, можно в широких границах регулировать их механические свойства.

В табл. 33 приведенные значения температур и для толстых покрытий, напыляемых различными материалами. Для конденсационных покрытий имеет место четкая зависимость механических свойств от структуры для многих материалов.

 

Таблица 33 - Ограничительные температуры и и их соотношения

для три зонных структурных моделей формирования

покрытия

Материал
Титан, Т			0,33		0,49
Никель,			0,31		0,42
Медь,			0,32		0,50
Железо,			0,31		0,48
			0,30		0,52
Вольфрам,			0,30		0,47
Оксид хрома,			0,22		0,43
Оксид алюминия,			0,26		0,50
Карбид титана, ТiС			0,31	-	-
Карбид циркония, ZrC		1	0,36		0,44

 

Невысокие температуры нагрева изделия могут привести к формированию на поверхности покрытия с низкой когезионной прочностью. Основная причина формирования некачественного покрытия связанная с невысоким энергетическим уровнем напыляемых частиц.

Температуру нагрева напыляемых изделий выбирают, исходя из многих факторов. В табл.34 приведены минимальные значения температуры напыляемых изделий для разных комбинаций материалов.

 

Таблица 34 - Минимальные температуры (°С) напыляемых изделий, для

разных комбинаций материалов изделия и покрытий

Материал покрытия	Материал изделия
Молибден,
Хром,					-
Медь,	-	-
Никель,	-				-	-

 

Для повышения степени ионизации и энергии напыляемых частиц используют разные способы стимуляции потоков, например, ионно-плазменное напыление (метод КBБ)или ионное распыление.

При активировании процесса ионизации газов и паров металла путем использования дополнительных физических процессов: тлеющего разряда постоянных или сменных электрических или магнитных полей, кроме, приведенных выше, основных, параметров технологических процессов ВКНП прибавляются параметры активирования процесса.

При использовании процесса нанесения покрытия дуговым испарением расплавленного металла в вакууме анодной формой дуги давление в камере составляет , сила тока достигает а напряжение . Учитывая, что степень ионизации потока напыляемых частиц достигает 100% для ускорения частиц на изделие подается отрицательный потенциал от высоковольтного выпрямителя.

При использовании ионно-плазменного напыления (метод КИБ)кроме удельной мощности дугового процесса на эффективность процесса влияет потенциал смещения, которые подается на изделие и индукция магнитного поля электромагнитных торцевых ускорителей и стабилизационной электромагнитной катушки.

Удельная мощность дуги регулируется двумя параметрами: силой тока дуги которая чаще всего составляет и площадью распыляемого катода, которая определяется плотностью тока . Для этого используют материал в виде дисков диаметром и толщиной . Обычно площадь распыляемой поверхности, составляет .

Индукция магнитного поля наиболее влияет на плотность потока ионизированных частиц. Чаще всего используют величину индукции в границах от 0 до 4,5мТл.

Дистанция напыления , давление в камере поддерживается на уравне .

Для ионного распыления наибольшее распространение получили триодная та магнетронная схема распыления. Наиболее влияет на эффективность этого процесса мощность разряда и его слагаемые - ток и напряжение, а также вид рабочего газа.

В практике напыление используют ток в границах и напряжение разряда . Наибольшая эффективность напыления достигается при магнетронной схеме напыления, которая осуществляется при маленьком напряжении и высокой плотности тока.

В основном в качестве рабочего газа используется аргон, как наиболее доступный и экономичный. Используются инертные газы, в которых заполненные р - оболочки (Ar, Kr, и прочие).

В зависимости от способа ионного распыления процесс происходит при давлении . При магнетронном способе ионного распыления кроме легко управляемого параметра - мощности тлеющего разряда на эффективность процесса влияет величина индукции постоянного магнита, который устанавливается под катодом. Благодаря взаимодействию магнитного и электрического поля между катодом и кольцевым анодом, плотность ионного тока может достигать , благодаря чему мощность распыления приближается к электронно-лучевой.

Для ионного распыления используют плоские мишени диаметром и толщиной .