к.т.н., доц. Перевозникова Я.В., асп. Перешивайлов В.К.,

студ. Синева Я.В.

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия

Технология нанесения пористых углеродных покрытий со средней твердостью осаждением их из плазмы инертного газа

Среди современных и актуальных направлений материаловедения и технологии является проблема вакуумного нанесения тонкопленочных аморфных покрытий, в которой переплетаются научные аспекты, относящиеся к химии, физике, механике. Хорошим примером применения углеродных покрытий являются оптическая и полупроводниковая промышленность. Высокие темпы развития этих наукоемких отраслей промышленности требуют непрерывного повышения эксплуатационных свойств, и качества покрытий [1]. Реализация этих требований прямо зависит от достижений в совершенствования технологий и конструировании оборудования получения углеродных пленок.

Наиболее перспективными методами нанесения углеродных покрытий являются вакуумные ионно-плазменные методы. Это обусловлено их качеством продукции, высокой чистотой технологических процессов и экологической безопасностью. Известно, что в возбужденном или ионизованном состоянии молекулы и атомы легче взаимодействуют друг с другом, что делает процесс нанесения покрытий эффективным.

Проблемой существующих методов нанесения покрытий является или низкая адгезия, как при термическом испарении, или небольшие площади обрабатываемых поверхностей как при лазерной абляции, небольшие скорости осаждения покрытий в высокочастотных и сверхвысокочастотных разрядах, плохая однородность наносимых покрытий, как при использовании дугового распыления. Магнетронное распыление лишено этих недостатков, так как использующийся в нем дрейфовый ток электронов в скрещенных магнитном и электрическом полях, дает возможность получать протяженные потоки достаточно плотной плазмы с контролируемыми характеристиками.

Помимо магнетронов существуют другие устройства, в которых используется дрейф электронов – это ионный источник. В технологии нанесения тонких пленок они нашли применение для травления, очистки поверхности подложек, и ионного ассистирования. Также эти устройства могут использоваться для травления и очистки углеродных покрытий. Применительно для осаждения покрытий необходимо подробно исследовать возможности ионных источников с анодным слоем [2].

Ионные источники с анодным слоем могут использоваться перед нанесением тонких пленок, таких как пленки углерода. Эти пленки обладают уникальными свойствами и вызывают большой интерес со стороны исследователей.

Протяженный ионный источник с анодным слоем имеет два режима работы низковольтный и высоковольтный. Основной режим с коллимированным пучком (высоковольтный) существует при низких давлениях в камере. В этом режиме разрядный ток увеличивается с увеличением разрядного напряжения. Повышая рабочее давление можно переключить ионный источник в режим с рассеянным пучком и много большим разрядным током, получаемым при почти постоянном напряжении. Ток увеличивается с повышением разрядного напряжения, это приводит к росту разрядного тока и увеличению числа ионизующих столкновений. При повышении давления, генерация ионов происходит быстрее удаления их из области ионизации. В режиме с рассеянным пучком (низковольтный) ионный ток не ограничен пространственным зарядом и может достигать значений в 10 раз больших, чем в высоковольтном режиме. При этом теряется контроль энергии ионов и его направленности.

К недостатку ионных источников с анодным слоем можно отнести отсутствие энергии ионов и независимого контроля тока. Средняя энергия ионов в ионном источнике с анодным слоем равняется примерно половине анодного напряжения. Данные характеристики ионного источника дают ему возможности использоваться в технологических операциях, таких как активация поверхностей подложек, очистка и ионное ассистирование процессами [3].

Углеродные пленки обладают высокой износостойкостью и твердостью, химической инертностью, низким коэффициентом трения, оптической прозрачностью, гладкостью поверхности и диэлектрическими свойствами, и биологической совместимостью. Для эффективного использования пленок углерода в промышленности необходимо снижать стоимость их производства за счет повышения и усовершенствования производительности технологического оборудования, использующегося для их нанесения и высоких технологий их производства. Для нанесения твердых аморфных углеродных покрытий предлагается использовать комбинирование несбалансированного и импульсного магнетронного распыления, достоинства которых хорошо известны. Для получения пористых углеродных покрытий со средней твердостью предлагается использовать осаждение их из плазмы инертного газа, преобразуемой с помощью ионного источника.

Тонкие пленки углерода обычно входят в состав многослойных пленочных структур. В различных примерах использования необходимы пленки с заданными электрическими, пористыми и структурными характеристиками, достижение которых требует серьезного понимания процессов их роста и нуклеации. Существует необходимость углубленного изучения связей между свойствами пленок и параметрами ионно-плазменного воздействия, что является главным прорывом на пути создания совершенных покрытий с абсолютно новыми функциональными свойствами.

Литература

1. . И.Л. Ройх, Л.Н. Колтунова, С.Н. Федосов. Нанесение защитных покрытий в вакууме. – М.: Машиностроение, 1976. – 377с.

2. D.M. Mattox. Ion plating – past, present and future // Surface and Coatings Techn. – 2000. – Vol. 134-135. – P. 517-521.

3. Справочник оператора установок по нанесению покрытий в вакууме/ А.И. Костржицкий, В.Ф. Карпов и др.– М.: Машиностроение, 1991. – 176с.