1.1 Характеристика та класифікація методів вакуумно-конденсаційного напилення покриттів

Покриття у вакуумі отримують осадженням та конденсацією пари матеріалів на поверхні виробу. Формуються покриття з потоку часток, які знаходяться в атомарному, молекулярному або іонізованому стані.

Потік частинок отримують випаровуванням або розпиленням матеріалу завдяки дії на нього різними енергетичними джерелами.

В загальному вигляді процес вакуумно-конденсаційного напилення покриття (ВКНП) складається з наступних етапів:

1 Випаровування напилюваного матеріалу.

2 Транспортування напилюваного матеріалу на поверхню, яка напилюється.

3 Стикання напилюваних частинок з поверхнею, яка напилюється.

4 Утворення центрів конденсації та ріст острівців.

5 Зливання острівців у суцільну плівку.

6 Ріст покриття необхідної товщини.

Всі ці процеси залежать від величини вакууму у камері напилення.

Величина вакууму визначається співвідношенням між довжиною вільного перебігу атомів  і розмірами вакуумної камери або відстанню до напилюваної поверхні L (рисунок 1.1).

Відкачування

повітря

Робочий газ

1 – базова плита; 2 – камера; 3 – розпилюваний матеріал; 4 – підведення енергії для розпилення матеріалу; 5 – потік напилюваних частинок; 6 – заслонка; 7 – виріб на який напиляється покриття; 8 – покриття; 9 – подача робочого газу; 10 – екран

Рисунок 1.1 – Узагальнена схема процесу ВКНП

Низький вакуум визначається за умови   L. Для середнього вакууму   L. При   L високий вакуум.

Для повітря при кімнатній температурі (Т_кім = 20 °С) значення  при відповідних тисках наведені в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 – залежність вільного перебігу атомів  від тиску при кімнатній температурі (Т_кім = 20 °С)

р, Па	105	1,3310	1,33	1,3310-1	1,3310-2	1,3310-3
, см	710-6	510-2	510-1	5	50	500

Процеси ВКН проводять у жорстких герметичних камерах при тисках від 13,3 до 13310^-3 Па. Завдяки цьому забезпечується необхідна довжина вільного перебігу напилюваних частинок і захист процесу від взаємодії з атмосферними газами.

Розпилення напилюваного матеріалу може відбуватися трьома методами:

1 Термічним випаровуванням.

2 Вибуховим випаровуванням – розпиленням.

3 Іонним розпиленням твердого матеріалу.

Переміщення частинок у напрямку напилюваного виробу відбувається завдяки різниці у парціальних тисках парової фази. Найбільший тиск пари, який досягає 133 Па і більше, має місце поблизу поверхні випаровування (розпилення). Це і обумовлює переміщення частинок у напрямку виробу, де тиск пари мінімальний.

Якщо частинка знаходиться в іонізованому стані, то можна сформувати потік за рахунок дії на нього електродинамічних сил. Напилення покриттів з іонізованих парових потоків більш бажане, бо частинки мають більшу енергію і це полегшує утворення покриттів.

Знаходячись у паровій фазі, речовина “не знає” законів розчинності. Тому випаровуючи одночасно декілька речовин, змішуючи їх парові потоки і потім конденсуючи їх на підложці, можна отримати такі сполучення і співвідношення компонентів, які дозволяють створити структури, які досить важко або неможливо отримати іншими способами.

Накопичені експериментальні дані підтверджують можливість отримання із парової фази нових неорганічних матеріалів з обумовленим складом і структурою: аморфні та мікрокристалічні матеріали з нерівноважною структурою, включаючи алмазоподібні фази на базі вуглецю, а також дисперсно-зміцнені, мікрошарові та мікропористі матеріали на основі металів, сплавів і кераміки. Можливо також провести синтез на поверхні конденсації інтерметалідів, тугоплавких з'єднань та багатофазних систем на їх основі.

Продуктивність сучасних електронно-променевих випаровувачів становить від 10 кг до 15 кг пари за годину. При цьому досягнуто середньої швидкості конденсації металів і сплавів від 50 мкм/хв до 100 мкм/хв.

Процеси випаровування і конденсації дозволяють поєднувати синтез матеріалу при осадженні на підложку з іншими технологічними потребами. Наприклад, проводячи осадження парового потоку на поверхню заданої конфігурації, можна надати матеріалу, який конденсується, бажану форму. Регулюючи зчеплення конденсанту з підложкою, можна досягти хорошого фізичного контакту (адгезії) на кордоні з підложкою, або, навпаки, створити умови для вилучення отриманого матеріалу з підложки.

Конденсовані матеріали можна отримувати у вигляді відносно тонких (від 10 мкм до 150 мкм) покриттів на готових виробах, а також товстих (від 1 мм до 2 мм) конструкційних покриттів, які виконують функцію несучого елемента конструкцій у вигляді напівфабрикатів – фольги, стрічки, листа; заготовок і виробів складної форми, наприклад тіл обертання; заготовок масою до 500 кг для подальшої термопластичної обробки та надання необхідної форми і т. ін.

Необхідно підкреслити, що реалізовані у вакуумі від 110^-3 Па до 110^-2 Па процеси випаровування і конденсації досконалі у екологічному відношенні, тому що при них практично виключені шкідливі викиди в навколишнє середовище.

Методи і способи вакуумного конденсаційного напилення класифікують за такими ознаками.

1 За способом розпилення матеріалу та формуванню потоку напилюваних частинок:

- термічним випаровуванням з твердого або розплавленого стану;

- вибуховим випаровуванням – розпиленням;

- іонним розпиленням твердого матеріалу.

2 За енергетичним станом напилюваних частинок:

- напилення нейтральними частинками (атомами, молекулами) з різним енергетичним станом;

- напилення іонізованими частинками;

- напилення іонізованими прискореними частинками.

3 За способом взаємодії напилюваних частинок із залишковими газами в камері:

- напилення в інертному розрідженому середовищі або високому вакуумі;

- напилення в активному розрідженому середовищі (від 133 Па до 13310^-1 Па).

Введення у камеру активних газів дозволяє перейти до способу вакуумного реакційного напилення покриттів. При цьому способі частинки у потоці або на поверхні конденсації вступають у хімічну взаємодію з активними газами (киснем, азотом, вуглекислим газом, тощо) і утворюють відповідні з'єднання: оксиди, нітриди, карбіди, тощо.

Схематично класифікація ВКН показана на рисунку 1.2.

Вибір методів і способів напилення визначається вимогами до якості покриттів з урахуванням економічної ефективності, продуктивності, простоти керування процесами, можливості автоматизації тощо.

Найперспективнішими методами ВКН є методи електронно-променевої технології та іонно-плазмові методи.

До виробів, які напилюються вакуумно-конденсаційними методами, ставляться наступні вимоги: розміри напилюваних виробів повинні відповідати технічному рівню створення сучасного устаткування, матеріал напилюваного виробу повинен мати невисокий тиск насиченої пари при температурах процесу; можливість нагрівання поверхні напилення для підвищення адгезійної міцності покриття.

Рисунок 1.2 – Класифікація методів і способів ВКНП

Перевагою ВКН є високі фізико-механічні характеристики покриття із синтезованих з'єднань (карбідів, нітридів, оксидів, тощо), нанесення тонких і товстих покриттів рівномірної товщини, використання для напилення широкої гами неорганічних матеріалів.

Технологічні процеси, пов'язані з ВКН не забруднюють навколишнє середовище, не порушують екологію, як хімічні та електролітичні методи нанесення покриттів.

До недоліків методів ВКН необхідно віднести: відносно невелику продуктивність, підвищену складність технології та обладнання, низькі показники енергетичних коефіцієнтів розпилення та напилення.