Лекція 5 Вакуумне конденсаційне напилювання покриттів іонним розпиленням

5.1. Суть процесу

У даному методі матеріал бомбардують прискоренним потоком позитивно заряджених іонів. Найчастіше для цілей використовують тліючий розряд при невисокому тиску в камері ( ). При цьому на розпилюваний матеріал подають від`ємний потенціал, який відіграє роль катода.

Для утворення позитивних іонів використовують аргон або інші гази, які подають в камеру через спеціальний натікач . Якщо в камеру подають активний газ (азот, оксид вуглецю та ін.), то це процес реакційного напилювання покриттів.

Розпилення катода відбувається завдяки вибиванню частинок (атомів, молекул) у результаті прямої передачі імпульсу позитивного іона поверхні, що розпилюється.

Під час удару по поверхні іон передає частину своєї енергії кристалічній гратці. Атоми гратки покидають рівноважне положення і переходять в між вузловий простір.

Він може покинути цю поверхню, якщо його енергія перевищить деяке граничне значення, що для більшості матеріалів знаходиться в межах 1 – 100 еВ. Спостерігається вихід атомів поверхні на глибину 8 мкм (20 атомних шарів). Продуктами виходу є нейтральні атоми (молекули). Частка заряджених частинок становить більше ніж 1 %.

Ефективність іонного розпилення характеризується числом атомів, що розпилились , до числа іонів, що їх розпилювали .

(5.1)

де – коефіцієнт розпилення, який вказує на число атомів, вибитих з поверхні катода одним іоном.

Величину можна виразити через втрату маси матеріалу, що розпилюється, , іонний струм і час .

, (5.2)

де k - коефіцієнт, що залежить від вибору одиниць; А – масове число.

На практиці розраховують швидкість розпилення матеріалу за формулою

(5.3)

5.2 Діодна схема іонного розпилення

Ця схема представлена на рис. 5.1 Тут матеріал, що розпиляють у вигляді пластин товщиною в декілька міліметрів, закріпляють на водо охолоджуючому катоді, до якого підводять від’ємний потенціал від джерела живлення. Другий електрод (анод) розміщують на відстані декількох сантиметрів від катода. У ряді випадків анод служить опорою для установки деталі. На анод подається позитивний потенціал. Разом з камерою анод знаходиться під потенціалом землі.

Рис. 5.1. Діодна схема розпилення матеріалу іонним бомбардуванням катода: 1 – катод; 2 – тліючий розряд; 3 – натікач; 4 – потік частинок; 5 – деталь, на яку напиляють покриття; 6 – покриття; 8 – анод

Умови існування розряду при діодній схемі дуже складні. Тому процес ведуть при підвищеному тиску (1 – 10 Па) і підвищеній напрузі (5 – 10 кВ). Величина щільності іонного струму складає 0,1 – 5 . Швидкість розпилення катода, а отже і швидкість нанесення покриттів незначна і становить 0,2 – 2 мм/с. Утворювані вторинні електрони попадають на деталь і перегрівають її. Цю схему застосовують в основному для напилювання тонких плівок.

5.3 Тріодна схема іонного розпилення

Схема цього методу представлена на рис. 5.2. У цій схемі вводиться гарячий катод 7, що є добавочним джерелом електронів .

Для збудження розряду між гарячим катодом і анодом 8 прикладають високу напругу до 1 – 2 кВ. За допомогою котушки 9 електрони змушують рухатися по складній траєкторії, що значно збільшує ефективність іонізації. На більш важкі іони магнітне поле діє слабо, крім того, іони рухаються в основному по напрямку поля.

Допоміжний (гарячий) катод, анод та котушка 9 складають генератор плазми.

Рис. 5.2. Тріодна схема іонного розпилення катода: 1 – катод; розпилюваний матеріал; 2 – тліючий розряд; 3 – натікач; 4 - потік частинок; 5 – поверхня виробу; 6 – покриття; 7 – гарячий катод; 8 – анод; 9 – магнітна котушка

Напруга, що подається на холодний катод 1, мало впливає на розряд між гарячим катодом та анодом, які утворюють плазму.

На матеріал який розпилюється подається напруга 0,7 – 1 кВ , що приводить до значного прискорення іонів із області гарячого катода в напрямку холодного катода. Це запобігає руху електронів в бік матеріалу який розпилюється і знижує можливість його перегріву .

Продуктивність тріодної схеми вища від діодної в декілька разів.

4. Магнетронне іонне розпилення катода

Дальше підвищення іонного потоку, а отже, і швидкості розпилення забезпечує магнетронна схема, яка представлена на рис 5.3.

Особливість її в тому, що під катодом 1 розташовуються постійні магніти 10. Силові лінії, що замикаються між полюсами 11 і 5, утворюють неоднорідне магнітне поле. Над катодом знаходиться кільцеподібний анод 8.

При подачі постійної напруги в 300 – 1000 В між катодом та анодом виникає електричне поле, яке збуджує тліючий розряд. Силові лінії напруженості Е перетинають розряд з силовими лініями магнітного поля с індукцією В. Під дією перехрещених полів електрони рухаються по циклоїдальній траєкторії.

Рис. 5.3. Схема магнетронного іонного розпилювання катода: 1 – розпилюваний матеріал (катод); 2 – тліючий розряд; 3 – натікач; 4 – потік напилюваних частинок; 5 – поверхня, на яку напиляють; 6 – покриття; 8 – кільцеподібний анод; 10 – постійні магніти; 11 – охолодження.

Це значно підвищує ступінь іонізації, тому зростає інтенсивність бомбардування катода іонами. Зона інтенсивного розпилення поверхні має вигляд замкнутої доріжки, розмір і форма якої визначається геометрією магнітної системи. У кільцеподібній зоні ступінь іонізації досягає 100 %. Це дозволяє одержати щільність іонного струму 10 – 20 отже, високу швидкість розпилення. Водяне охолодження катода захищає його від перегріву і оплавлення .

Параметри процесу: потужності установок 2 – 50 кВт, тиск в камері , дистанція напилювання 40 – 150 мм. При менших відстанях іонний струм падає і швидкість розпилення зменшується.

Позитивною характеристикою катодного розпилення є можливість одержувати покриття з різних матеріалів без зміни їх складу, високий коефіцієнт використання матеріалу, (майже 100 %), висока швидкість напилювання (біля 1 мкм/хв). Недоліками методу є малий енергетичний ККД (біля 1%).