Физическое осаждения покрытия

 

Если конденсат осаждается на поверхности инструмента при Т_п < Т_к, где Т_п - температура на поверхности инструмента; Т_к- температура конденсата, то массоперенос М_п вследствие диффузии практически исключается. В этом случае общее выра­жение (1.3) приобретает вид М₀ - М_р = М_И. При этом образую­щееся покрытие имеет выраженную границу с инструментальным материалом. Такое покрытие можно классифицировать как адгезионное, а характер его связи с инструментальным материалом будем относить к типу I. Наиболее характерной особенностью формирования таких покрытий является слабое влияние струк­туры инструментального материала на свойства покрытия и такие свойства композиции, как вязкость, прочность и др. Подобные покрытия формируются в процессе физического осаждения по­крытия (ФОП). Они получили в мировой практике название PVD (Phisical vapour deposition).

Возможны два метода ионного распыления: ионно-лучевое и плазменноионное распыление. При ионно-лучевом распылении выбивание атомов мишени происходит под действием бомбардировки ее поверхности ионными лучами определенной энергии. Тут не требуется подача на мишень отрицательного потенциала.

При плазменном распылении мишень из распыляемого материала находится в сильно ионизированной плазме под отрицательным потенциалом и играет роль катода. Положительные ионы под действием электрического поля вытягиваются и бомбардируют мишень, вызывая ее распыление.

Существуют следующие разновидности плазменного распыления: катодное, магнетронное, высокочастотное и в несамостоятельном газовом разряде.

Методы ФОП нашли применение при разработке промышлен­ной технологии нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент. Наибольшее промышленное применение получила технология КИБ (конденсация вещества из плазменной фазы с ионной бомбардировкой), разработанная ХФТИ совместно с Мосстанкином и Всесоюзным научно-исследовательским инсти­тутом инструмента (ВНИИ), а также технология МИР (магнетронно-ионное распыление). Разновидность технологии КИБ (Ion Bond) используется такими фирмами, как МАВС (США), «Хаузер» (Голландия), «Теквак» (Великобритания), «Интератом» (ФРГ), и технология МИР фирмой «Бальцерс» (Швейцария). Методы ФОП реализуются в широком диапазоне температур (200—800 °С), поэтому они приемлемы для нанесения покрытий не только на теплостойкий твердосплавный инструмент, но и на инструмент из быстрорежущих и углеродистых сталей.

Метод КИБ основан на явлении вакуумного дугового сильноточно­го разряда в парах материала катода. Генерация вещества катодным пятном в условиях ионной бомбардировки приводит к конденсации на поверхности подложки металлического покрытия, а при подаче в ваку­умное пространство газов - реагентов (азота, метана, ацетилена и др.) - покрытий из карбидов или нитридов, образующихся в резуль­тате плазмохимических реакций. Все процессы испарения и конденсации покрытия происходят в вакуумной камере, металлический корпус которой служит анодом, а катод изготавливается из испаряе­мого материала. Под действием первичных электронов и ионов, гене­рируемых в дуговой промежуток катодом, происходит ионизация испа­рившегося вещества и газа-реагента, что приводит к образованию по­токов плазмы, содержащих заряженные ионы и нейтральные частицы ма­териала катода. Высокая плотность энергии в катодном пятне позволяет испарять практически любые электропроводящие материалы, в том числе тугоплавкие.

Особенностью метода КИБ является химическая активность испа­ряемого материала, обусловленная высокоэнергетическим электродуговым испарением материала катода, за счет которого конденсат пре­образуется в ионизированный поток низкотемпературной плазмы. Степень ионизации зависит от кристаллохимической природы испаряемого металла и параметров процесса. При этом поток плазмы неоднороден и состо­ит из ионной и нейтральной компонент, причем ионы титана могут быть одно-, двух- и трехзарядными (Ti ⁺, Ti⁺⁺, Ti⁺⁺⁺). Количество ионов и их зарядность определяются энергетическими ха­рактеристиками процесса, в частности, дуговым потоком. Например, процентное содержание ионов титана различной кратности заряда при токе дуги 100A составляет: Ti⁺ - 27 %•, Ti⁺⁺ - 67 %_t Ti⁺⁺⁺ - 6 % /66/. Кроме того, установлено, что распределение ионного тока неоднородно, причём максимум распределения тока находится на оси системы и максимум распределения ион­ного тока может не совпадать с осью системы. При токах дуги, близких к 100A и более, на характер распределения ионного тока в пространстве оказывает влияние собственное магнитное поле разряда, приводящее к возникновению в плазме электрического поля, направленного к оси потока плазмы. Наличие этого электрического поля обуславливает фокусировку потока плазмы, вследствие чего диа­грамма его направленности сужается Распределение плотности ионного тока по радиусу системы на расстоянии 250 мм от плоскости катода позволяет сделать вывод о неодно­родности условий осаждения покрытий в различных зонах потока плаз­мы. Большое влияние на свойства покрытий оказывает нейтральная составляющая потока плазмы, которая может представлять собой ато­мы испаряемого материала, а также их конгломераты в виде микрока­пель или твердых осколков. Причиной их появления яв­ляются возникающие в катоде термоупругие напряжения, превышающие предел прочности катода, и вызывающие формирование катодным пят­ном эрозионных кратеров на поверхности катода. Наличие капельной фазы и твердых осколков в потоке плазмы приводит к появлению в по­крытиях характерных дефектов в виде кратеров и микровключений чис­того металла. Очевидно, что различия в скорости роста покрытия и плотности нейтральной составляющей также оказывают влияние на неоднородность условий формирования покрытий по сечению потока плазмы.

На базе метода КИБ разработаны и выпускаются вакуумно-плазменные установки "Булат-ЗТ", ННВ-6.6-И1 ("Булат-20"), "Булат-6", "Пуск" и другие. Принципиальные схемы вакуумно-плазменных установок представлены на рисунке 9.1.

Рис. 9.1. Принципиальные схемы установок для нанесения покрытий методом КИБ.

а - обычного типа; б - с плазмооптической систе­мой. I - корпус вакуумной камеры; 2 - режущие инструменты; 3 - катод; 4 - электромагниты; 5 - подача газа-реагента; 6 - откачка; 7 - источник высокого и опорного напряжения; 8 - источник питания дуги

Установка "Булат-ЗТ" широко применяется на промышленных предприятиях различных отраслей. Она относительно проста по устройству, удобна в обслуживании, допускает возможность нанесения покрытий на широкую номенклатуру инструментов. Установка "Булат-6" является модер­низацией установки "Булат-ЗТ", но в отличие от неё дополнительно снабжена плазмооптической системой и устройством электронного под-жига дуги. Установка ННВ-6.6-И1 имеет большие размеры вакуумной камеры, комплектуется планетарным устройством для вращения инструмента в процессе нанесения покрытия, оснащена электронными систе­мами автоматического поддержания некоторых технологических параметров. Все эти установки оснащены тремя источниками потока плазмы (испарителями). Установки типа "Пуск" имеют двухкамерную компоновку, а следовательно, и более высокую производительность, од­нако наличие только одного испарителя ограничивает их возможности по нанесению многокомпонентных покрытий.

Преимущества метода катодного распыления в следующем:

• безинерционность процесса
• низкие температуры процесса
• возможность получения пленок тугоплавких металлов и сплавов (в том числе и многокомпонентных)
• сохранение стехиометрического исходного материала при напылении
• возможность получения равномерных по толщине пленок
• Метод имеет недостатки:
• низкая скорость осаждения (0.3-1 нм/с)
• загрязнение пленок рабочим газом вследствие проведения процесса при высоких давлениях
• низкая степень ионизации осаждаемого вещества

 

Магнетронное распыление. Является разновидностью метода нанесения тонких пленок на основе тлеющего разряда. Магнетронные системы ионного распыления относятся к системам распыления диодного типа, в которых атомы распыляемого материала удаляются с поверхности мишени при ее бомбардировке ионами рабочего газа (обычно Ar), образующимися в плазме аномального тлеющего разряда.

В магнетронной распылительной системе катод (мишень) помещается в скрещенное электрическое (между катодом и анодом) и магнитное поле, создаваемое магнитной системой. Магнитное поле позволяет локализовать плазму аномального тлеющего разряда непосредственно у мишени.

Суть метода состоит в следующем: в систему анод-катод подается постоянный электрический ток (2-5 А), который приводит к возникновению между мишенью (отрицательный потенциал) и анодом (положительный или нулевой потенциал) неоднородного электрического поля и возбуждению аномального тлеющего разряда. Электроны, выбитые из катода под действием ионной бомбардировки, подвергаются воздействию магнитного поля, возвращающего их на катод, с одной стороны, с другой – поверхностью мишени, отталкивающей электроны. Это приводит к тому, что электроны совершают сложное циклическое движение у поверхности катода. При движении электроны многократно сталкиваются с атомами аргона, обеспечивая высокую степень ионизации, что приводит к возрастанию интенсивности ионной бомбардировки мишени, а следовательно и к возрастанию скорости распыления.

Преимущества метода:

• высокая скорость распыления при низких рабочих напряжениях (600-800 В) и при небольших давлениях рабочего газа (5×10^-1 -10 Па)
• отсутствие перегрева подложки
• малая степень загрязнения пленок
• возможность получения равномерных по толщине пленок на большей площади подложек

Высокочастотное распыление. Данный метод применяется в том случае, если материалом мишени является диэлектрик. Для распыления диэлектрика необходимо периодически нейтрализовать положительный заряд на нем. Для этого к металлической пластине, расположенной непосредственно за распыляемой диэлектрической мишенью, прикладывают напряжение с частотой 1-20 МГц.

Плазменное распыление в несамостоятельном разряде. В распылительных системах данного типа горение газового разряда поддерживается дополнительным источником (магнитное поле, высокочастотное поле).

Преимущества метода ПРНР:

• сохранение стехиометрического состава пленок при распылении многокомпонентных сплавов
• высокий коэффициент использования распыляемого вещества
• возможность получения равномерных по толщине покрытий на подложке большей площади
• высокая адгезия пленок