ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1 Низкотемпературная плазма и ее применение для нанесения покрытий 11
1.1 Методы нанесения тонкопленочных покрытий 11
1.2 Аномальный тлеющий разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях в технологических процессах нанесения покрытий 17
1.3 Характеристики покрытий нанесенных при помощи магнетронной
распылительной системы 30
1.4 Постановка задачи 38
Глава 2 Экспериментальная установка и методика исследований 39
2.1 Экспериментальная установка с магнетронной распылительной
системой 39
2.2 Измерительная аппаратура, методика проведения экспериментов и
оценка погрешности измерений 47
2.3 Система фотометрического контроля толщины покрытий 53
2.4 Методы исследования покрытий 55
Глава 3 Теоретические и экспериментальные исследования разряда
в магнетронной распылительной системе в процессе нанесения покрытий 63
3.1 Электрические и энергетические характеристики магнетронной
распылительной системы 63
3.2 Характеристики тонкопленочных покрытий в зависимости от
параметров разряда 69
3.3 Математическая модель прикатодной области аномального тлеющего разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях в процессе нанесения покрытий 80
3.4 Синтез оптических покрытий 87
Г лава 4 Получение тонкопленочных покрытий с помощью магнетронной
распылительной системы 100
4.1 Защитное покрытие, увеличивающее отражение 100
4.2 Токопроводящее покрытие 104
4.3 Теплоотражающее покрытие 109
4.4 Неослепляющее покрытие 113
Выводы 118
Библиографический список использованной литературы 120
Принятые обозначения
е - заряд электрона
к - постоянная Больцмана
Ге - температура электронного газа
Га, Т, - температуры атомов и ионов
Vf- плавающий потенциал
- масса электрона гп\ - масса иона
у+ - дрейфовая скорость ионов vc - дрейфовая скорость электронов j\ - плотность ионного тока Ус - плотность тока электронов «с - концентрация электронов пх - концентрация ионов п0 - плотность зарядов
/Л: - ПОДВИЖНОСТЬ ЭЛеКТрОНОВ
- ПОДВИЖНОСТЬ ионов
р - коэффициент рекомбинации а - коэффициент Таунсенда у - обобщенный коэффициент вторичной эмиссии сое - циклотронная частота
АБС-пластик - акрилнитробутадиенстирольный пластик
MPC - магнетронная распылительная система
Р\х - давление аргона
PC - распылительная система
СФКТ - система фотометрического контроля толщины
X - длина волны
Росі - остаточное давление
х- время напыления
ир - скорость распыления
Я у - коэффициент офажения на границе раздела двух сред I и}
АП - адгезионная прочность ЭМИ - электромагнитное излучение <5 - коэффициент распыления ТУ - число Авогадро
е - относительная диэлектрическая проницаемость
п(Л) = п(Л) - \'к(Х) - комплексный показатель преломления
«(Я), к{Х) - действительная (показатель преломления) и мнимая (показатель
поглощения) части комплексного показателя преломления
л
<7Ап - адгезионная прочность, Н/м рп - плотность пленки, кг/м3 Сс - остаточные напряжения, Н/м с0 - диэлектрическая постоянная
ФРЭЭ - функция распределения элекфонов по энергиям
Еп - модуль Юнга
ип - коэффициент Пуассона
Яа - шероховатость поверхности
А - атомная масса распыляемого материала
- энергия электрического тока, выделяемая в разряде (?в - количество тепла уносимого охлаждающей водой сй - удельная теплоемкость воды, Дж/кг-’С
ц - отношение энергии идущей на нагрев к вложенной в разряд энергии, %
6
ВВЕДЕНИЕ
t*
В настоящее время плазменные технологии находят широкое применение в машиностроении, радиоэлектронике и оптическом приборостроении, в том числе при нанесении покрытий на поверхности металлов, полупроводников и диэлектриков с целью придания им требуемых физических свойств.
Наиболее перспективными для процессов напыления являются разрабатываемые в последние годы плазменные методы получения покрытий. ^ Анализ показывает, что многие вневакуумные методы осаждения имеют ог-
раниченные возможности с точки зрения придания поверхности изделий заданных свойств. Так плазменные методы нанесения при атмосферном давлении обладая рядом существенных достоинств не позволяют получать высокоплотные покрытия, достаточно равномерные по толщине. Напыление в вакууме лишено этих недостатков, однако, малая скорость напыления и огра-^ ниченный набор пленкообразующих материалов, не всегда удовлетворяет
разработчиков интерференционных конструкций. Появившиеся сравнительно недавно магнетронные распылительные системы, способные наносить как тонкопленочные, так и пленочные покрытия толщиной в несколько микрон, позволили существенно расширить область применения ионного распыления материалов в процессах нанесения покрытий.
Магнетронная распылительная система (MPC) позволяет осуществлять •# процесс испарения пленкообразующего материала с большой скоростью и с
одновременной ионизацией и возбуждением распыленных атомов. Наличие возможности управления параметрами разряда позволяет направленно влиять на свойства получаемых покрытий. Поэтому технологии с применением магнетронной распылительной системы, являются перспективными в процессах изготовления тонкослойных оптических покрытий.
Работа направлена на решение актуальной проблемы создания новых ^ совершенных магнетронных распылительных систем и исследование ано-
мального тлеющего разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях
в процессе нанесения покрытий, а также разработку теории и методики расчета MPC.
Работа выполнена в соответствии с программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» в рамках научно - инновационного сотрудничества Министерства образования и ОАО «Автоваз» по подпрограмме «Создание новых материалов и технологий для автомобилестроения»; а также в рамках программы развития приоритетных направлений развития науки республики Татарстан на 2001-2005 г. по теме «Нанесение отражающих тонкопленочных покрытий в условиях динамического вакуума» и по теме «Функциональные покрытия для повышения эффективности оптико-электронных приборов, применяемых при оперативной диагностике газо-нефтепроводов».
Цель и задачи исследования. Целью работы являлось определение влияния параметров разряда в магнетронной распылительной системе на свойства формируемых покрытий и разработка на основе установленных закономерностей новых технологий получения оптических покрытий с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Создать установку для нанесения функциональных покрытий с помощью магнетронной распылительной системы;
2. Экспериментально исследовать аномальный тлеющий разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях в процессе нанесения покрытий;
3. Разработать математическую модель прикатодной области магнетронной распылительной системы;
4. Экспериментально исследовать свойства полученных покрытий и зависимость их от параметров разряда;
5. Разработать технологии получения оптических покрытий с заданными свойствами.
8
Объект и методы исследования. Основным объектом исследования является аномальный тлеющий разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях, а также покрытия, полученные при его использовании.
Для исследования параметров аномального тлеющего разряда использовался зондовый метод измерения пространственного распределения плавающего потенциала электрического поля, измерение магнитного поля, распределение температуры, плотности разрядного тока на мишени, а также калориметрические измерения.
Полученные функциональные покрытия исследовались по следующим параметрам: адгезия, остаточные напряжения, спектральные характеристики, устойчивость к климатическим и механическим воздействиям.
Научная новизна работы.
1. Исследован аномальный тлеющий разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях магнетрона в процессах нанесения оптических покрытий;
2. Впервые разработана математическая модель прикагодной области разряда в магнетронной распылительной системе с учетом зависимости коэффициента ионизации от энергии электронов и напряженности электрического поля;
3. Впервые установлена закономерность влияния параметров аномального тлеющего разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях на характеристики получаемых покрытий;
4. Разработана технология нанесения покрытий с заданными свойствами при непрерывном контроле толщины наносимых покрытий;
5. Получены оптические покрытия с заданными свойствами (получены два патента и свидетельство на полезную модель).
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. На основе экспериментальных и теоретических исследований параметров аномального тлеющего разряда в процессе нанесения покрытий разрабо-
таны технологии получения тонкопленочных покрытий с заданными свойствами;
2. Внедрены в промышленность созданные технологические процессы и специальное оборудование для нанесения покрытий с помощью MPC.
На защиту выносятся следующие научные положения н выводы:
1. Результаты комплексных экспериментальных исследований характеристик аномального тлеющего разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях в процессе нанесения оптических покрытий;
2. Математическая модель прикатодной области разряда в магнетрон-ной распылительной системе с учетом зависимости коэффициента ионизации от энергии электронов и напряженности электрического поля;
3. Закономерности влияния параметров разряда в MPC на характеристики получаемых покрытий;
4. Технология нанесения функциональных покрытий с помощью
MPC.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 116 наименований. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 1 таблицу.
В первой главе дан обзор основных методов нанесения тонкопленочных покрытий, представлены сведения о магнетронных распылительных системах, описаны характеристики покрытий получаемых при помощи магнетронов, изложены задачи диссертации.
Во второй главе приведено описание вакуумной установки с магне-тронным распылительным устройством, описана использовавшаяся измерительная аппаратура, приведены методики проведения измерений параметров разряда, дана оценка погрешности измерений. Отдельным пунктом описана система фотометрического контроля толщины наносимых покрытий. Представлены методы измерения оптических, механических и эксплутационных характеристик полученных покрытий.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований параметров разряда MPC в процессах нанесения покрытий. Предложена математическая модель прикатодной области аномального тлеющего разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях с учетом зависимости коэффициента ионизации от энергии электронов и напряженности магнитного поля. Представлены результаты измерений свойств полученных покрытий в зависимости от параметров разряда. Показано преимущество модели макроскопической смеси для описания состава оксидных пленок получаемых с помощью MPC.
В четвертой главе на основе экспериментальных исследований зависимостей свойств тонкопленочных покрытий от параметров разряда MPC и математической модели процессов протекающих в прикатодной области. Разработана технология нанесения покрытий с заданными свойствами при непрерывном контроле толщины наносимых покрытий. Рассмотрено получение четырех типов тонкопленочных функциональных покрытий с заданными оптическими и электрическими свойствами:
- защитное двухслойное покрытие для зеркал, обладающее высокими механическими характеристиками и повышающее отражение от зеркала благодаря явлению интерференции света в тонких пленках;
- токопроводящее покрытие, обладающее высоким коэффициентом отражения;
- теплоотражающее покрытие, прозрачное для электромагнитного излучения видимого диапазона и отражающее электромагнитное излучение в инфракрасной области;
- шестислойное неослепляющее покрытие, предназначенное для предотвращения ослепления водителя светом фар позади идущего автомобиля. В заключении обобщаются основные результаты работы.
ГЛАВА 1 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ
ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
1.1 Методы нанесения тонкопленочных покрытий
Нанесение покрытий является прогрессивным технологическим процессом. Формирование покрытия на поверхности материала, существенно отличающегося по своим кристаллическим, физикохимическим, теплофизическим свойствам от материала основы, значительно улучшает эксплуатационные свойства последнего. Нанесение покрытий позволяет придавать материалам определенные качества: электро- и теплоизоляция, износостойкость, коррозионностойкость, селективная отражательная способность и др. [1,2].
В настоящее время существуют много методов нанесения покрытий, которые можно разделить на вневакуумные и вакуумные или конденсационные [3].
Вневакуумные методы в большинстве случаев не требуют дорогостоящего оборудования и являются весьма экономичными, однако они достаточно специфичны как по материалу покрытия, так и по области их применения. Недостатками напыления при атмосферном давлении являются перегрев и окисление напыляемого материала. Кроме того, большое количество выделяющейся теплоты приводит к выгоранию легирующих элементов, входящих в напыляемый сплав (от 10 до 60%) [4].
Эффективность нанесения покрытий на мелкие детали мала из-за низкого коэффициента использования напыляемого материала [3, 5].
Более универсальными и широко используемыми в технологии нанесения покрытий являются вакуумные методы, для осуществления которых необходимы специальные камеры, изолирующие от атмосферы. К вакуумным методам относятся: термовакуумное напыление и катодное распыление с многообразными разновидностями. Важнейшим
преимуществом этой группы методов является возможность контроля практически всех основных технологических параметров в процессе нанесения и формирования покрытий с прогнозируемыми свойствами [4].
Метод термовакуумного напыления основан на нагреве вещества в вакууме до температуры, при которой кинетическая энергия атомов и молекул становится достаточной для его испарения. Необходимая степень вакуума в камере для обеспечения прямолинейного движения конденсированного материала к подложке с учетом возможности десорбции молекул газа из элементов конструкции установки при нагреве должна быть не хуже 2,5*10'3 Па [6].
Существуют различные способы термовакуумного напыления в зависимости от типа испарителя:
- резистивный;
- индукционный;
- электронно-лучевой;
- лазерный.
В резистивных способах применяют конструкционно наиболее простые испарители с резистивным или «джоулевым» нагревом. При термовакуумном напылении испаряемые материалы могут нагреваться как за счет прямого нагрева, так и косвенного - путем нагрева испарителя. Контроль температуры испарения осуществляется путем регулирования тока и потребляемой мощности испарителя. Материал испарителя - это тугоплавкие металлы или оксиды, имеющие при рабочей температуре незначительные упругость пара и давление диссоциации. Для испарения многокомпонентных легко диссоциирующих соединений эффективным является метод дискретного испарения. Испаряемый материал поступает малыми порциями на поверхность нагретого испарителя, температура которого достаточно высока, чтобы происходило испарение всех компонент одновременно. В результате на поверхности подложки образуется слой нужного стехиометрического состава [7].
- Київ+380960830922