Несмотря на принципиальное различие между системами термического и ионного распыления наносимого материала они характеризуются важным общим моментом - формирование покрытий происходит в основном за счет конденсации нейтральных частиц.

Атомы или молекулы пара, образующегося при термическом испарении материалов, имеют энергию порядка нескольких десятых долей эВ. При ионном распылении энергия частиц практически на порядок больше, что и определяет более высокую адгезию к поверхности подложки и более высокую плотность формируемого покрытия.

1.1.5. Технологические плазменные ускорители

Следующая область энергий соответствует частицам, которые могут быть получены лишь с помощью технологических плазменных ускорителей. Увеличение энергии частицы выше тепловой приводит уже не только к ее конденсации из потока, но и к нехарактерным для тепловых процессов таким физическим эффектам, как распыление поверхностного слоя и внедрение в материал подложки. Изменение энергии частицы позволяет управлять составом, структурой и свойствами формируемых поверхностных слоев. Кроме этого обеспечивается возможность протекания в рабочем объеме плазмохимических процессов с образованием новых веществ композиционного состава.

Для технологических плазменных ускорителей характерен диапазон энергий ионов от 10 до 10³ эВ. В указанном диапазоне технологические режимы определяются протеканием конкурирующих процессов конденсации, интенсивного распыления и внедрения ионов. Если на обрабатываемую поверхность попадает поток ионов с энергией Wi и плотностью ионного тока j_i, то из условия баланса масс – скорость роста наносимого покрытия определяется выражением [31]:

,

(1.37)

где j_i - плотность ионного потока на обрабатываемое изделие; (W_i) - коэффициент аккомодации (доля конденсирующихся ионов); S(W_i) - коэффициент распыления (доля ионов, покидающих поверхностный слой); - среднее зарядовое число ионов в плазме; n₀ - концентрация частиц в поверхностном, неуплотненном слое с характерной толщиной, равной пробегу ионов.

Коэффициенты и , входящие в уравнение (1.31), зависят от энергии бомбардирующих поверхность ионов Wi.

В области энергий от 1 до 10 эВ, основным процессом является конденсация заряженных частиц из ускоренного ионного потока, протекающая на фоне более слабого процесса распыления. Данные условия являются основными при осаждении покрытия в вакууме [32].

При дальнейшем увеличении энергии ионов до 10³ эВ, вследствие усиления относительной роли распыления, скорость роста формируемого покрытия монотонно падает. Когда коэффициенты аккомодации и распыления уравнивают друг друга , скорость роста становится равной нулю. При энергии свыше 10³ эВ, существенными уже становятся эффекты внедрения ионов в глубь кристаллической решетки.

При длительной обработке поверхности частицами с энергиями свыше 10 эВ характер сорбционного процесса на подложке, вследствие ее распыления, оказывается сложным. В этом случае наблюдается распыление и внедрение ионов в поверхностный слой, и диффузия внедренных атомов в глубь подложки. При достижении равновесия процессов внедрения и распыления устанавливается состояние сорбционного насыщения. Такой режим применяется в технологии получения видоизмененных поверхностных слоев материалов обладающих повышенной прочностью, коррозионной стойкостью и износостойкостью.

Другим практически важным частным случаем внедрения является процесс, проводимый в импульсном режиме с энергией частиц до 10⁶ эВ. В этом случае можно пренебречь движением границы поверхности вследствие ее распыления и протеканием медленных диффузионных процессов, и считать, что внедрение определяется лишь энергией ионов и дозой облучения. Данный процесс соответствует эффекту образования “захороненного” слоя, нашедшего свое применение в полупроводниковой технологии (ионная имплантация полупроводников) [31, 32].

Таким образом, благодаря высокой энергии частиц, происходит непрерывная бомбардировка обрабатываемой поверхности ионами осаждающего материала, что способствует образованию высококачественного покрытия с высокой адгезией.

Управление энергией частиц, позволяет процесс нанесения покрытия проводить в два этапа. Благодаря высокой энергии ионов, достигающей нескольких кэВ при задании на обрабатываемую поверхность отрицательного потенциала в 1…2 кВ, на первом этапе осуществляется очистка поверхности подложки, заключающаяся в распыление с обрабатываемой поверхности загрязнений, адсорбированных и окисных пленок. Одновременно с распылением происходит и внедрение ионов в материал обрабатываемой поверхности, что приводит к формированию псевдодиффузного слоя, имеющего большое значение в повышении адгезионных свойств получаемого покрытия.

После окончания процесса очистки и формирования псевдодиффузного слоя, напряжение смещения уменьшается примерно на порядок, и технологический процесс переходит в стадию формирования покрытия.

Процесс формирования покрытия на различных подложках определяется температурой нагрева обрабатываемой поверхности. Повышение температуры связано с передачей подложке энергии ионов напыляемого материала и с выделяющимся при конденсации теплом. Поэтому, физической границей рассматриваемого технологического процесса является максимально допустимый поток мощности на подложку (10⁵…10⁷ Вт/см²), который еще может быть снят принудительным охлаждением.

Эффективным инструментом для реализации технологических процессов, основанных на изложенных физических эффектах, являются плазменные ускорители, обеспечивающие получение плазменных потоков различных веществ, для перевода которых в плазменную фазу используются процессы эрозии электродов в вакуумных разрядах [33].

Если в тлеющих разрядах определяющую роль играет вторичная электронная эмиссия, то в дуговых - термо- и термоавтоэлектронная эмиссия.

Тлеющие разряды реализуются в диапазоне давлений 100…10^-1 Па на катодах с низкой рабочей температурой при напряжениях 10²…10⁴ В. Плазма подобных разрядов находится под высоким положительным потенциалом относительно заземленной оснастки, расположенной внутри камеры, что и приводит к катодному распылению ее деталей.

При использовании переменного электрического поля плазма находится под положительным потенциалом относительно заземленной оснастки, значение которой примерно соответствует амплитуде высокочастотного напряжения на емкостном элементе или индукторе.

В отличие от газовых разрядов в вакуумно-дуговых разрядах не требуется специальной подачи рабочего вещества, а среда, необходимая для существования разряда, возникает вследствие разрушения одного из электродов.