Министерство образования и науки Российской Федерации

Министерство образования и науки Российской Федерации

Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК)

Реферат
по дисциплине: «Технология приборостроения»
на тему: «Вакуумное напыление покрытий на оптические детали конденсационным способом»

Выполнил студент ФОИСТ ОПТ III-1б Полетаев В.В.

Проверил Козлова А.Г.

Москва 2015 г.

Содержание:

Введение. 3

Классификация и общая характеристика основных методов нанесения вакуумных покрытий. 4

Генерация потока осаждаемого вещества термическим испарением. 5

Резистивное испарение. 6

Индукционное испарение. 7

Электронно-лучевое испарение. 8

Импульсное лазерное испарение. 9

Напыляемые материалы. 10

Поверхность твёрдого тела. 13

Неоднородности поверхности. 14

Заключение. 15

Список использованной литературы. 15

Введение.

Нанесение тонкоплёночных (одно- или многокомпонентных) покрытий в вакууме позволяет создавать материалы с различными свойствами. Данный метод модификации свойств поверхности твёрдого тела широко используется в приборостроении.

В оптической промышленности тонкоплёночные структуры применяются в производстве зеркал, поляризационных и интерференционных фильтров. Также на оптические детали наносят просветляющие плёнки, теплозащитные, солнцезащитные и декоративные покрытия.

Уникальными оптическими и электрическими свойствами обладают сверхрешётки, создаваемые методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Благодаря современным технологическим методам МЛЭ появилась возможность конструирования сложных в функциональном отношении приборов на молекулярном уровне.

При самом общем подходе стоит отметить, что все наносимые вакуумным испарением конденсаты следует разделить на две группы – конденсаты элементарных материалов и конденсаты соединений. Хотя основные закономерности испарения и конденсации для обеих групп во многом совпадают, для второй группы характерно различие концентраций компонентов в конденсате и испаряемом соединении, обусловленное частичной или полной диссоциацией вещества в процессе испарения.

В сравнении со многими химическими и электрохимическими методами нанесения покрытий, напыление не требует использования каких-либо загрязняющих веществ и является экологически чистой технологией.

Нанесённые покрытия обладают высокой прочностью сцепления, большой контактной прочностью и износостойкостью, высоким сопротивлением коррозии, жаростойкостью и жаропрочностью.
Классификация и общая характеристика основных методов нанесения вакуумных покрытий.

Для модификации свойств поверхности твёрдого тела используются различные режимы ионной обработки. Процесс взаимодействия ионного пучка с поверхностью сводится к протеканию взаимосвязанных физических процессов: конденсации, распыления и внедрения. Превалирование того или иного физического эффекта определяется главным образом энергией Е₁ бомбардирующих ионов. При Е₁ = 10 – 100 эВ конденсация преобладает над распылением, поэтому имеет место осаждение покрытия. При повышении энергии ионов до 10⁴ эВ начинает преобладать процесс распыления с одновременным внедрением ионов в материал. Дальнейшее повышение энергии бомбардирующих ионов (Е₁ > 10⁴ эВ) приводит к снижению коэффицента распыления и установлению режима ионной имплантации (ионного легирования).

Процесс нанесения тонкоплёночных покрытий в вакууме включает в себя 3 основных этапа:

· Генерации потока частиц осаждаемого вещества;

· Переноса частиц в разрежённом пространстве от источника до подложки;

· Осаждения частиц при достижении подложки.

При этом определяющим для классификации методов нанесения вакуумных покрытий является первый этап.

Существует два метода нанесения вакуумных покрытий, различающихся по механизму генерации потока осаждаемых частиц: термическое испарение и распыление материалов ионной бомбардировкой. Испарённые или распылённые частицы переносятся на подложку через вакуумную среду (или атмосферу реактивных газов, вступая при этом в плазмохимические реакции). Для повышения степени ионизации потока осаждаемого вещества в вакуумную камеру могут быть введены специальные источники заряженных частиц (например, термокатод) или электромагнитного излучения. Дополнительное ускорение движения ионов к обрабатываемой поверхности может достигаться за счёт приложения к ней отрицательного потенциала.

Генерация потока осаждаемого вещества термическим испарением.

Суть метода термического испарения заключается в нагреве веществ в специальных испарителях до температуры, при которой начинается заметный процесс испарения. Для расчёта скорости испарения (поток атомов, покидающих единицу поверхности металла в единицу времени) используется соотношение Герца-Кнудсена:

, где P – давление паров испаряемого материала, Па; T – температура испарения, К; m₀ – атомная масса испаряющегося материала, кг; k=1,38*10^-23Дж/К – постоянная Больцмана.

Основные достоинства этого метода:

· Возможность нанесения плёнок металлов (в том числе тугоплавких), сплавов, полупроводниковых соединений и диэлектрических плёнок;

· Простота реализации;

· Высокая скорость испарения веществ и возможность регулирования её в широких пределах за счёт изменения подводимой к испарителю мощности;

· Стерильность процесса, позволяющая при наличии высокого (а при необходимости и сверхвысокого) вакуума получать покрытия, практически свободные от загрязнений.

Все испарители различаются между собой по способу нагрева испаряемого вещества. По этому признаку способы нагрева классифицируются следующим образом: резистивный, индукционный, электронно-лучевой, лазерный и электродуговой.

Резистивное испарение.

Это – первый метод нанесения тонкоплёночных покрытий в вакууме. Его отличительные особенности: техническая простота, удобство контроля и регулирования режимов работы испарителя и возможность получения покрытий различного химического состава.

В резистивных испарителях тепловая энергия для нагрева испаряемого вещества образуется за счёт выделения джоулева тепла при прохождении электрического тока через нагреватель.

К материалам, используемым для изготовления нагревателей резистивных испарителей, предъявляются следующие требования:

· Давление пара материала нагревателя при температуре испарения осаждаемого вещества должно быть пренебрежительно малым;

· Материал нагревателя должен хорошо смачиваться расплавленным испаряемым веществом, так как это необходимо для обеспечения хорошего теплового контакта между ними;

· Между материалом нагревателя и испаряемым веществом не должны возникать никакие химические реакции и образовываться легколетучие сплавы этих веществ, так как в противном случае происходит загрязнение наносимых плёнок и разрушение нагревателей.

Для нанесения покрытий резистивным методом применяются различные конструкции и способы испарения металлов и сплавов. Наиболее широко используются проволочные, ленточные, тигельные и автотигельные испарители, поверхностные испарители дискретного действия.

Методу резистивного испарения присущи недостатки, значительно снижающие область его применения:

· Отсутствие заметной ионизации паров испаряемого материала;

· Трудность управления основными параметрами потока;

· Высокая инерционность испарителей.

Индукционное испарение.

Для устранения нежелательных последствий, связанных со взаимодействием между испаряемым веществом и испарителем, и получения покрытий высокой чистоты используется индукционное испарение.

Иллюстрация принципа действия индукционного испарителя приведена выше. При плавлении масса металла (1) под действием магнитного поля, создаваемого катушкой (2), поднимается таким образом, что поверхность соприкосновения нагретого до высокой температуры металла с тиглем (3) оказывается минимальной. В результате происходит ослабление химических реакций между испаряемым металлом и тиглем.

К недостаткам индукционного метода нагрева следует отнести:

· Невозможность непосредственного испарения диэлектриков;

· Необходимость использования специальных индукторов для испарения различных металлов;

· Низкий КПД установки.

Электронно-лучевое испарение.

В производственных условиях широко используются электронно-лучевые испарители, которые позволяют получать тонкие плёнки металлов, сплавов и диэлектриков.

Хорошая фокусировка электронного пучка в этих испарителях позволяет получать большую концентрацию мощности (до 5*10⁸ Вт/см²) и высокую температуру, что обеспечивает возможность испарения с большой скоростью даже самых тугоплавких материалов. Быстрое перемещение нагретой зоны в результате отклонения потока электронов, возможность регулирования и контроля мощности нагрева и скорости осаждения создают предпосылки для автоматического управления процессом. Данный метод позволяет получить высокую чистоту и однородность осаждаемой плёнки, поскольку реализуется автотигельное испарение материала.

Принцип действия электронно-лучевого испарителя показан на рисунке ниже.

В электронной пушке (1) происходит эмиссия свободных электронов с поверхности катода и формирование их в пучок (7) под действием ускоряющих и фокусирующих электростатических и магнитных полей. Через выходное отверстие пушки пучок выводится в рабочую камеру (6). Для подведения электронного пучка к тиглю (5) с испаряемым материалом (4) и обеспечения параметров пучка, требуемых для данного технологического процесса, используют главным образом магнитные фокусирующие линзы и магнитные отклоняющие системы. Беспрепятственное прохождение электронного пучка до объекта возможно только в высоком вакууме. В камере испарителя устанавливается рабочее давление около 10^-4 Па. Испаряемый материал нагревается вследствие бомбардировки его поверхности электронным пучком до температуры, при которой испарение происходит с требуемой скоростью. В образовавшемся потоке пара (3) располагают подложку (2), на которой происходит конденсация. Испарительное устройство дополняют средствами измерения и контроля, которые особенно важны для управления параметрами электронного пучка в процессе напыления.

Недостатки электронно-лучевого испарения:

· Образование плёнок испаряемого материала на элементах электронно-оптической системы, что изменяет параметры электронного пучка;

· Необходимость приложения высокого ускоряющего напряжения (порядка 10 кВ);

· Низкий энергетический КПД установок из-за затрат энергии на образование вторичных электронов (до 25% от энергии первичного пучка), нагрев тигля, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения;

· Газовыделение в рабочем объёме камеры вследствие бомбардировки вторичными электронами подложки, стенок камеры и технологической оснастки;

· Генерация радиационных дефектов в наносимом покрытии при бомбардировке его вторичными электронами;

· Отсутствие заметной ионизации потока осаждаемого вещества;

· Плохая адгезия тонких плёнок к подложке из-за низкой энергии частиц осаждаемого вещества.

Импульсное лазерное испарение.

В лазерных испарителях нагрев испаряемого вещества, помещённого в вакуум, осуществляется при помощи фокусированного излучения лазера, находящегося вне вакуумной камеры. Нанесение плёнок с помощью лазера возможно благодаря следующим свойствам луча: точной фокусировке излучения и дозировке его энергии, высокой плотности потока энергии (10⁸ – 10¹⁸ Дж/см²).

Основными достоинствами метода импульсного лазерного напыления (ИЛН) являются:

· Предельно чистые условия вакуумного испарения (источник энергии для испарения вещества находится за пределами вакуумной среды, испарение производится из «собственного тигля»);

· Возможность получения плёнок самых тугоплавких материалов и сохранение стехиометрического состава многокомпонентных соединений (высокая плотность потока энергии лазерного излучения и его малая длительность позволяют достичь высоких температур – до десятков тысяч градусов, при которых все компоненты испаряются в одинаковой мере);

· Высокая мгновенная скорость напыления (10³ – 10⁵ нм/с) и реализуемый беззародышевый механизм роста плёнки, которые обеспечивают сплошность слоёв при толщине, близкой к мономолекулярной. Это позволяет использовать ИЛН для получения ультратонких плёнок и сверхрешёток;

· Использование только низкоэнергетической части плазмы, что способствует получению бездефектных плёнок, близких по своим параметрам к плёнкам, получаемым методом молекулярно-лучевой эпитаксии;

· Стабильность наносимых за 1 импульс слоёв толщиной 0,1-10,0 А/имп позволяет программировать напыление плёнок строго контролируемой толщины;

· Высокая производительность и технологичность.

Недостатки метода лазерного испарения:

· Эшелонированный характер разлёта испаряемого вещества. При испарении материала наносекундными импульсами лазера впереди движутся быстрые электроны, затем ионы максимальной зарядности (с энергией до 1000 эВ и более), в конце ионной составляющей – ионы минимальной зарядности, и наконец, самая медленная часть сгустка – нейтральная (с энергией порядка 1 эВ). Такой характер разлёта плазменного сгустка приводит к неоднородному во времени процессу осаждения;

· Испарение вещества импульсными ОКГ происходит в очень неравновесных условиях, при интенсивных механических воздействиях, вызванных термическим напряжением, ударными волнами, газовым давлением и т.д. В результате разрушения мишени одновременно с паром или плазмой образуются твёрдые и жидкие микрочастицы, имеющие скорость разлёта, близкую к скорости парового сгустка, и вызывающие появление микродефектов в конденсируемой плёнке, - так называемого брызгового эффекта. Для уменьшения брызгового эффекта можно использовать различные приёмы: применение порошковой мишени с последующей дегазацией, медленное (от импульса к импульсу) сканирование.

Напыляемые материалы.

В качестве напыляемых материалов используют многие металлы, металлоиды, сплавы, композиты, которые при напылении не претерпевают значительных изменений их состава и свойств.

Основное требование к напыляемым материалам – совместимость с материалом поверхности, то есть возможность их адгезионного взаимодействия и сохранения стабильного физико-технического состояния напылённой поверхности в процессе эксплуатации изделия.

Классификация материалов.

По физико-химическим свойствам напыляемые материалы разделяются на следующие виды:

· Чистые металлы;

· Металлические сплавы;

· Интерметаллиды;

· Оксиды и бескислородные соединения металлов;

· Металлические сплавы и соединения;

· Сложные композиционные материалы;

· Органические.

По совместимости с биологической средой выделяют 3 класса:

· Биотолерантные – не вызывающие иммунологической реакции организма;

· Биоинертные – не реагирующие с биологической средой;

· Биоактивные – соединяющиеся с биологической средой.

По состоянию материала перед напылением различают такие виды:

· Порошок;

· Проволока;

· Стержень;

· Шнур.

Порошковые материалы.

Свойства применяемых порошков включают их следующие основные характритики:

1) Физико-механические – форма частиц, размер частиц, гранулометрический состав порошка, твёрдость частиц, плотность порошка;

2) Химические – содержание оксидов, газовых включений водорода, азота, окиси углерода;

3) Биологические – биотолерантность, биоинертность, биоактивность;

4) Технологичность – текучесть порошка, его способность к плавлению.

По количеству компонентов порошки делятся на 2 вида:

· Композиционные – содержащие несколько компонентов: экзотермические (металлидные Ni-Al, Ni-Ti, металлооксидные Al-NiO, Al-FeO, металлоидные Al-WC, Ti-SiC), термонейтральные (металл – тугоплавкое соединение, металл – металлидное соединение, металл – твёрдая смазка, металл – оксид, оксид – оксид), создающие гетерогенную структуру покрытий;

· Однокомпонентные – содержащие один элемент (Al, Zn, Cu, Mo, W, Ti), либо сплав нескольких элементов (Al-Zn, Al-Ni, Ni-Cr, Fe-C, W-C, Ni-Cr-B-Si), создающие однородную структуру покрытий.

Самофлюсующиеся сплавы в виде порошков позволяют напылять покрытия, которые после их оплавления (или без него) приобретают беспористую структуру с высокой прочностью, что повышает износостойкость, коррозионную стойкость, жаростойкость покрытий. Такие порошки получают из сплавов на основе никеля или хрома с добавлением B, Si, Fe, C, WC.

Подготовка порошков перед напылением необходима для придания им заданных исходных свойств и включает в себя отжиг, классификацию (рассев), смешивание.

Отжиг заключается в нагреве порошка до температуры (0,4…0,5) от Т_{плавления} с последующим медленным охлаждением. Этим снимается наклёп частиц и улучшается их пластичность, что благоприятствует процессам адгезии и образованию прочного покрытия. Отжиг проводится в антиокислительных условиях: в вакууме, в водороде, в аргоне или в галогеносодержащей атмосфере.

Классификация состоит в разделении частиц порошка по их размерам на фракции, которые потом используются непосредственно для напыления либо для составления смеси, содержащей определённые доли частиц нужных фракций. Классификация производится обычно ситовым способом с помощью комплекта сит и встряхивающего устройства. Кроме этого, применяются воздушно-проходные сепараторы и циклоны-сепараторы.

Смешивание порошков обеспечивает придание смеси химической однородности, необходимой для получения однородного покрытия. Чаще всего смешивание производят в шаровых мельницах и специальных смесителях: конусных, центробежных шнековых и лопастных, планетарных. После смешивания производится контроль качества порошковой смеси по химическому составу и свойствам.

Проволочные материалы.

Проволочные и стержневые материалы применяются для плазменного и газотермического напыления, для электродуговой и высокочастотной металлизации с их диаметром 0,5…3,0 мм при напылении и 1,5…3,0 мм при металлизации.

Проволока разделяется по характеристике структуры на 3 вида:

· Сплошная проволока;

· Порошковая проволока с металлической оболочкой;

· Порошковая проволока с органической оболочкой.

Сплошная проволока производится методами волочения из чистых металлов и сплавов на их основе: Al, Zn, Cu, Ni, из высоколегированных сталей (нержавеющих, износостойких, жаростойких).

Подготовка сплошной проволоки включает её обезжиривание и травление. Жёсткую стальную проволоку подвергают отжигу, а затем пескоструйной очистке от окалины.

Порошковая проволока с органической оболочкой используется для плазменного напыления, представляя собой обычно порошковый шнур.

Стержни для напыления со сплошным сечением изготавливают литьём, порошковые стержни получают формованием порошковых материалов с последующим спеканием для придания необходимой прочности. Диаметр стержней составляет 500…600 мм.

Вакуумно-конденсационное напыление позволяет использовать различные материалы, включая композиционные, в виде порошков, проволоки, стержней, дисков. Для получения покрытий с определёнными заданными свойствами применяют специальные материалы типа сплавов Ni-Cr, Co-Cr, Ni-Co, Cr, Ni-Cr-Al. Главным требованием к этим материалам является точность химического состава, включая содержание примесей.

Поверхность твёрдого тела.

Между характеристиками поверхности и объёма твёрдого тела имеются весьма существенные различия, обусловленные нарушением симметрии структуры объёма. Из-за этого поверхность рассматривается как «обрыв» объёма, с её неравновесным состоянием и стремлением к равновесию путём адсорбции газов и паров, окисления и образования других твёрдых плёнок, диффузии в приповерхностный слой адсорбированных элементов. На эти процессы оказывают влияние внешние факторы: химический состав и температура окружающей среды, различные излучения и поля.

В объёме твёрдого тела любой атом или ион испытывает со всех сторон симметричное действие сил окружающих атомов. Поверхностный атом имеет соседние атомы только с одной стороны и это создаёт структурную асимметрию поверхности. Частично она компенсируется искажением кристаллической решётки, но неравновесная поверхностная зона может иметь глубину 5…6 атомных слоёв.

В этой зоне амплитуда тепловых колебаний атомов может в 1,5…2,0 раза превышать амплитуду колебаний атомов, расположенных в объёме тела. При этом с поверхности происходит экзоэлектронная эмиссия так, что прилегающий к ней подповерхностный слой приобретает положительный заряд, а сама поверхность заряжается отрицательно, то есть у поверхности формируется двойной электрический слой.

Неоднородности поверхности.

Физическая неоднородность любой поверхности связана с тем, что на ней скапливаются, перемещаясь изнутри, дефекты кристаллической решётки: точечные – вакансии, межузельные атомы и линейные – краевые и винтовые дислокации. При напылении покрытий их взаимодействие с поверхностью начинается не её дефектах, где атомы, находясь в неравновесном состоянии, имеют избыток свободной энергии и повышенную химическую активность.

Тепловое движение атомов придаёт кристаллической поверхности шероховатость, обусловленную ступенчатым характером расположения атомов. При этом в разных ступенчатых положениях атомы обладают различной свободной энергией.

По указанным причинам в структуре поверхностного слоя рассматриваются следующие зоны: равновесная основа, переходный слой, ориентированные измельчённые кристаллы, неориентированные измельчённые кристаллы, оксидные плёнки с адсорбированными газами. Толщина такого слоя составляет около 50 мкм, концентрация дефектов в нём может достигать больших значений, особенно после очистки и активации поверхности.

Химическая неоднородность поверхности обусловлена неизбежным наличием на ней чужеродных атомов – химических дефектов. Они способствуют повышению химической активности поверхности.

Избыток энергии атомов на поверхности является поверхностной энергией тела или поверхностным натяжением. Её величина определяется суммой поверхностных энергий всех граней кристаллов и зависит от строения кристаллической решётки, характеризуемой несколькими основными параметрами. Она может быть рассчитана как энергия связи атомов, или энергия атомизации E_s, которая необходима для разделения твёрдого тела на нейтральные атомы, и принимается равной теплоте сублимации ∆H_s.

Для кристалла с решёткой типа ГЦК, содержащего N атомов, при его раскалывании с образованием двух поверхностей, на каждый атом приходится 3/2 разорванных атомных связей. Это требует затраты следующей энергии: .

Если на поверхности раскола кристалла имеется N₀ атомов на площади 1 см², то поверхностная энергия определяется выражением: .

При расплавлении твёрдого тела его поверхностная энергия снижается согласно приближённому соотношению σ≈0,9σ_тв.. Величина этой энергии определяет смачиваемость и адгезию материалов, особенно в жидкофазных процессах, влияет на зародышеобразование и рост покрытий при вакуумном напылении, на фазовые переходы в химических реакциях и при кристаллизации.

Заключение.

Для решения широкого круга задач тонкопленочной технологии разработаны различные методы генерации потока осаждаемого вещества, основанные на механизмах термического испарения (резистивное, электронно-лучевое, импульсное лазерное, электродуговое) и ионного распыления (катодное, магнетронное, высокочастотные) в несамостоятельном разряде и автономными источниками. Проведенный анализ физических процессов, лежащих в основе каждого метода, позволяет выбрать наиболее эффективный метод для решения конкретной технической задачи и может быть использован при разработке новых комбинированных систем генерации плазмы.

Список использованной литературы.

· Бутовский К. Г., Лясников В. Н. Напыленные покрытия, технология и оборудование. – Саратов.: «Саратовский госуд. техн. университет»,1999 – 117 с.;

· Карпенко Г. Д., Рубинштейн В. Л. Современные методы генерации осаждаемого вещества при нанесении тонкопленочных покрытий в вакууме. Минск: БелНИИНТИ, 1990 – 36 с.

Дата добавления: 2015-10-21