Грабченко А.И. и др. Интегрированные генеративные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

280

потоков может быть увеличена применением дополнительных источников

энергии.

Скорость частиц в направлении поверхности изделия зависит от

способа выращивания, применения ускоряющих устройств до 2000 м/с и

более. Угол расхождения частиц при распылении колеблется в широких

пределах и определяется способами распыления, поверхностью

распыления и др. Для точечного источника распыления угол расхождения

подчиняется закону косинуса.

III

N, ч/см

·с

-1

W, Эв/ат

Рисунок 6.5 – Диаграмма распределения плотности потока частиц N

и энергии W для различных способов ВКН

6.4 Ионное (катодное) распыление

Метод заключается в распылении бомбардировкой ионами

газоразрядной плазмы мишени из материала, который наносится, и

следующего осаждения распыленных частиц на поверхности подложки

изделий. Ионные распылительные системы классифицируют по количеству

электродов (диодные, триодные, тетродные), виду используемого

напряжения (постоянное, переменное, высокочастотное), средствам

возбуждения плазмы (с самовозбуждением, с дополнительным разрядом, с

автономными ионными источниками), наличию или отсутствию

потенциала на подложке (со сдвигом и без).

В наиболее простом случае система распыления состоит из двух

электродов, размещенных в вакуумной камере (рис. 6.6). Материал,

281

который наносится 3, располагают на катоде. На другом электроде (или

отдельно) устанавливают подложку, например, инструменты. Вакуумную

систему откачивают до вакуума (0,005 Па.) и наполняют рабочим газом,

которым чаще всего является аргон, под давлением порядка 0,5 Па. На

электрод с инструментами подают отрицательный потенциал и

бомбардировкой ионами аргона выполняют их очистку. При этом

происходит распыление органических и неорганических загрязнений

поверхности. После очистки подложки отрицательный потенциал

прикладывают к мишени и распыляют ее. Частицы, которые распыляются,

эжектируются через плазму разряда, осаждаются на подложке и образуют

покрытие.

Рисунок 6.6 – Система ионного (катодного) распыления:

1 - вакуумная камера; 2 - обрабатываемые детали; 3 - напыляемый материал;

4 - источник питания для подачи отрицательного потенциала на подложку

При необходимости как рабочий используют реактивный газ, например,

кислород или азот. В случае для металлов на подложке образуются покрытия

из оксидов, нитридов и тому подобное. Покрытие карбидами и нитридами

титана, в частности, на твердом сплаве, можно также получить прямым

распылением этих соединений в среде инертного газа.

К недостаткам катодного метода относят низкий КПД – большая

часть энергии рассеивается на мишени, а также недостаточную степень

ионизации наносимых частиц – примерно 1%.

282

Магнетронные распылительные системы (МРС) являются

усовершенствованным вариантом диодных систем распыления. Причиной

появления таких систем явилось стремление повысить скорость осаждения

при одновременном снижении радиационного воздействия электронов на

подложку. В системах на постоянном токе используют режим аномально

тлеющего разряда. Высокие скорости распыления, характерные для МРС,

обеспечиваются за счет локализации плазмы у поверхности распыляемой

мишени путем наложения скрещенных электрического и магнитного полей.

Схема магнетронного распыления (генерации) показана на рис. 6.7.

Основными элементами системы являются катод-мишень 2, кольцевой

анод 1 и магнитная система 3. Подложку располагают над анодом (на

схеме не показано). При подаче постоянного напряжения между мишенью

(отрицательный потенциал) и анодом (положительный или нулевой

потенциал) возникает неоднородное электрическое поле, силовые линии

которого скрещиваются с силовыми линиями магнитного поля,

замыкающими магнитную систему. В условиях тлеющего разряда

эмитированные с катода под действием ионной бомбардировки вторичные

электроны совершают в магнитном поле сложное движение у поверхности

катода по траекториям, близким к циклоидальным.

Рисунок 6.7 – Схема магнетронного распыления:

1 - кольцевой анод; 2 - катод-мишень (распыляемый материал); 3 - магнитная система;

4 - силовые линии магнитного поля; 5 - траектория движения электронов

283

Поверхность мишени, расположенная между местами входа и

выхода силовых линий и интенсивно распыляемая, имеет вид замкнутой

кольцевой дорожки. При этом электроны оказываются в своеобразной

ловушке, создаваемой, с одной стороны, магнитным полем,

возвращающим электроны на катод, а с другой – поверхностью мишени,

отталкивающей электроны. Электроны перемещаются в ловушке до тех

пор, пока произойдет несколько ионизирующих столкновений с атомами

рабочего газа и электроны не потеряют полученную от электрического

поля энергию.

В дальнейшем они диффундируют через плазму к аноду. Таким

образом, большая часть энергии электрона расходуется на ионизацию в

непосредственной близости от катода, где создается высокая концентрация

положительных ионов. В результате возрастают интенсивность

бомбардировки катода, скорость его распыления и соответственно

скорость осаждения (наращивания) материала на подложку до 1 мкм/мин.

Наличие магнитной ловушки приводит к тому, что в МРС

отсутствует бомбардировка подложки вторичными электронами высоких

энергий, а основным источником нагрева подложек является энергия,

выделяемая при торможении и конденсации осаждаемых атомов вещества,

в результате чего температура подложки не превышает 100-200°С. Для

термоактивации подложки в некоторых установках предусмотрены

отдельные нагреватели. Для получения покрытий в виде соединений в зону

распыления вводится реакционный газ (азот).

К недостаткам процесса можно отнести незначительную

термоактивацию подложки, снижающую качество формируемой

структуры и адгезию покрытия.

6.5 Ионно-термическое выращивание покрытий

Стремление увеличить скорость нанесения покрытий до характерной

для термического напыления, с одной стороны, и обеспечить высокую

адгезию покрытий, характерную для осажденных с помощью ионного

распыления, с другой, привело к созданию различных ионно-термических

систем. На рис. 6.8 показана одна из схем такого выращивания. При

испарении различными методами материал ионизируется в плазме разряда,

осуществленного в среде инертного газа, и ускоряется по направлению к

подложкам-деталям, к которым прикладывается отрицательный потенциал.

284

Испарение можно производить с помощью нагревателя

сопротивления или индукционного нагрева. Однако существуют трудности

испарения тугоплавких материалов, а также изменение стехиометрии

состава при наращивании сплавов и химических соединений и загрязнение

покрытия материалом испарителя. Поэтому используют различные

лучевые методы нагрева, главным образом, электронно-лучевые и

лазерные.

Рисунок 6.8 – Схема ионно-термического нанесения покрытий:

1 - вакуумная камера; 2 – обрабатываемые детали;

3 - электронный источник или квантовый генератор (располагаемый вне камеры);

4 - источник питания для подачи отрицательного потенциала на подложку;

5 - напыляемый материал; 6 - источник подогрева подложки

Применение ионно-термического метода значительно расширяет

технологические возможности систем вакуумного нанесения покрытий в

направлении управления параметрами наносимого на подложку материала,

хотя и сокращает их круг из-за термической диссоциации, характерной для

ряда химических соединений. В большинстве случаев адгезионное

взаимодействие предпочитают активировать не предварительной очисткой

деталей бомбардировкой ионами, а путем их нагрева, что ограничивает

применение материалов подложек, не допускающих их значительного нагрева.

Применение этого метода позволяет получать эффективные

износостойкие покрытия на твердосплавных неперетачиваемых пластинах

для режущего инструмента, но значительно менее эффективно для

285

быстрорежущих инструментов, у которых допустимая температура нагрева

при очистке не должна превышать температуры отпуска 540-560°С.

Различные модификации ионно-термического метода отличаются

главным образом тем, что осаждение покрытий производят из плазмы

разряда, осуществляемого преимущественно в парах наносимого металла.

6.6 Выращивание покрытий из плазмы электродугового разряда

с горячим катодом

Система выращивания из плазмы разряда с горячим катодом показана на

рис. 6.9. Кольцевой катод 6 при нагреве эмитирует на распыляемый металл 5, к

которому приложен положительный потенциал, мощный несфокусированный

электронный поток и расплавляет металл. Далее осуществляется разряд в парах

наносимого материала. Для повышения адгезии покрытия к деталям может

прикладываться отрицательный потенциал, ускоряющий ионизированную часть

парового потока по направлению к деталям. При подаче в камеру реакционного

газа, в качестве которого чаще всего используют азот или кислород, образуются

на деталях нитриды, окислы и другие соединения. Недостатком системы

остается сравнительно небольшой процент ионизированных частиц в общем

потоке материала, поступающего к детали, что сказывается на адгезионных

характеристиках покрытия и условиях протекания реакции синтеза соединений.

Рисунок 6.9 – Схема выращивания покрытий из плазмы разряда

с горячим катодом:

1 - вакуумная камера; 2 - обрабатываемые детали подложки;

3 - источник питания для подачи положительного потенциала на катод;

4 - источник питания для подачи отрицательного потенциала на подложку;

5 - напыляемый материал; 6 - кольцевой катод

286

6.7 Выращивание покрытий из плазмы электродугового разряда

с холодным катодом

Эффективными и относительно простыми являются устройства,

основанные на процессах испарения генерируемого материала катодным

пятном вакуумной дуги – сильноточным низковольтным разрядом,

развивающимся исключительно в парах материала электродов.

Теоретическое и экспериментальное изучение характеристик вакуумной дуги,

а также решение ряда конструктивных вопросов позволило достигнуть в

последнее время значительных успехов в совершенствовании технологии

нанесения покрытий из электродугового разряда с интегрально холодным

катодом.

Широкое распространение получил метод конденсации в вакууме на

поверхность подложки вещества из плазменной фазы с ионной

бомбардировкой – метод КИБ. Метод реализуется на различных

установках обычного типа (рис. 6.10) и с плазмооптической системой

управления плазменным потоком (холовским ускорителем) (рис. 6.11).

Рисунок 6.10 – Схема выращивания покрытий из плазмы злектродугового

разряда с холодным катодом (метод КИБ):

1 - корпус вакуумной камеры (анод); 2 - обрабатываемые детали;

3 - электромеханический поджег дуги; 4 - источник питания дуги;

5 - электромагнит; 6 - источник питания для подачи отрицательного потенциала на

подложку; 7 - напыляемый материал (катод)

287

Рисунок 6.11 – Схема выращивания покрытий из плазмы электродугового

разряда с холодным катодом и плазмооптической системой:

1 - корпус вакуумной камеры (анод); 2 - обрабатываемые детали;

3 - напыляемый материал (катод); 4 - электромагниты; 5 - источник питания дуги;

6 - источник питания для подачи отрицательного потенциала к подложке;

7 - водоохлаждаемый анод

Метод КИБ основан на том, что плазменный поток металла,

образующийся с помощью вакуумной дуги с холодным катодом,

ускоряется путем приложения отрицательного потенциала к изделию с

последующей конденсацией на нем ионов и нейтральных атомов при

одновременном прохождении плазмохимической реакции их с реактивным

газом. Подавая в вакуумную камеру газ-реагент во время электродугового

испарения тугоплавкого металла, можно получать покрытия на основе

нитридов, карбидов и других соединений металлов IV - VI групп

Периодической системы элементов.

Важной особенностью данного метода является возможность

проведения эффективной ионной очистки поверхности изделия путем

интенсивной бомбардировки ее ускоренными ионами распыленного

вещества, что создает условия для высокой адгезии покрытия к

подложке. При высоком потенциале подложки (1 кВ и выше)

ускоренными ионами распыляется не только осаждающийся металл, но и

частично поверхностный слой подложки. Так осуществляется ионное

травление подложки, обеспечивающее очистку поверхности.

Одновременно ускоренные ионы внедряются в подложку и насыщают

288

тонкий приповерхностный слой. Глубина проникновения ионов в этом

случае оказывается достаточной для обеспечения надежной адгезии

покрытия.

В настоящее время разработан ряд различных модификаций

установок для нанесения износостойких покрытий, объединенных единым

принципом генерации вещества мишени катодным пятном вакуумной

дуги. Основные отличия их заключаются в способах доионизации,

фокусировки, ускорения и сепарирования плазменного потока. Улучшать

качество нанесения износостойких покрытий позволяет разработка

комплексной технологии, включающей предварительную химико-

термическую обработку с последующим нанесением покрытия, например,

предварительное ионное азотирование контактных площадок инструмента

и осаждение покрытий по методу КИБ. Преимущество комплексного

технологического процесса заключается в возможности совмещения обеих

операций в одном технологическом цикле при использовании вакуумно-

плазменных установок нового поколения.

Анализ вакуумных методов нанесения покрытий показывает, что

производительность наращивания слоев методом КИБ превосходит другие

методы, обеспечивает высокое качество покрытий, приоритетное

положение и преимущественное развитие его в условиях серийного

производства.

6.8 Метод активированного реакционного испарения

Метод активированного реакционного испарения (АРИ) (рис. 6.12)

является модификацией широко известного метода термического

испарения и конденсации в вакууме. Метод позволяет с достаточной

производительностью получить тугоплавкие соединения типа карбидов,

нитридов, окислов, сульфидов и аналогичных материалов.

При реакционном испарении в вакуумную камеру подают

дозированное количество газов, таких, как азот, кислород, углеводороды

(метан, ацетилен) и др. При этом испаряющиеся атомы металла,

взаимодействуя с атомами газа, образуют химические соединения,

например: 2Ті+С

->2ТіС+Н

. С целью полноты протекания реакции

применяют различные способы активирования или ионизации атомов

металла в паровой фазе и газе. В качестве источника испарения

используют в основном высоковольтные электронно-лучевые пушки,

289

нагрев которыми сопровождается формированием над поверхностью

расплава тонкого слоя плазмы.

500 max

К вакуумным

насосам

Рабочий

газ

Рисунок 6.12 – Схема метода активного реакционного испарения:

1 – вакуумная камера; 2 – изделие; 3 – электронно-лучевая пушка; 4 - мишень

С помощью помещенного над расплавом электрода с небольшим

положительным потенциалом (50-400 В) низкоэнергетические вторичные

электроны вытягиваются из плазменного слоя и образуют плазменную

область между расплавом и электродом.

Низкоэнергетические электроны ионизируют или активизируют

атомы газа и металла в паровой фазе. Тем самым возрастает вероятность

протекания реакции взаимодействия при их столкновении. В плазме имеет

место также обмен зарядами при столкновении положительных ионов и

нейтральных атомов.

Кроме того, в плазме возникают нестабильные молекулы

химических соединений, находящиеся в возбужденном состоянии и

являющиеся зародышами химических соединений на подложке.

Этот процесс обеспечивает полное протекание синтеза, например,

ТіС, при реакции паров металла с атомами газа С

, когда отношение

металл/металлоид близко к единице.

За счет изменения парциального давления газового компонента

можно регулировать отношение металл/металлоид в покрытии. Наличие