Способ и устройство для получения многослойно-композиционных наноструктурированных покрытий и материалов

Способ и устройство для получения многослойно-композиционных наноструктурированных покрытий и материалов

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу и устройству получения электродуговой плазмы и использованию ее для нанесения многослойно-композиционных наноструктурированных покрытий на подложку.

В последние десятилетия вакуумные электродуговые источники плазмы получили широкое распространение в промышленности для осаждения на изделия покрытий на основе металлов, их сплавов и соединений. Они используются для нанесения на детали машин, инструмент, товары народного потребления и т.п. износостойких, коррозионно-стойких, декоративных покрытий, покрытий с требуемыми электрическими и магнитными характеристиками и других покрытий со специальными свойствами. Вакуумные дуговые источники плазмы применяются, кроме того, для получения ионных пучков, используемых для ионной имплантации, в ионных ускорителях, а также в ракетных силовых установках.

Известен способ получения многослойно-композиционных наноструктурированных покрытий в вакууме плазменным способом с использованием электродугового источника плазмы, заключающийся в следующем. На охлаждаемом катоде, изготовленном из материала, на основе которого требуется получить покрытие, в вакууме зажигается сильноточный дуговой разряд. Зажигание дугового разряда, как правило, осуществляется либо механическим разрывом электрического контакта между катодом и специальным электродом, или с помощью высоковольтной или лазерной искры. Дуговой разряд на холодном катоде стягивается в катодные пятна размером от нескольких микрон до сотен микрон и плотностями тока в них до 10⁶-10⁸ А/см². Каждое пятно эмитирует струю металлической плазмы в направлении, приблизительно перпендикулярном поверхности катода. В отсутствие магнитных и электрических полей катодные пятна хаотично перемещаются по поверхности катода. Электрическими и магнитными полями можно управлять движением пятен, удерживая их на рабочей поверхности и заставляя перемещаться по требуемым траекториям.

Каждое пятно дает соответствующий вклад в поток плазмы, который имеет распределение, близкое к косинусоидальному с осью, перпендикулярной поверхности катода. За счет особенностей горения вакуумной дуги на холодном катоде, в частности создания вблизи катода положительного объемного заряда, ионы плазмы ускоряются до энергий от единиц до сотен электронвольт в направлении, перпендикулярном поверхности катода.

Поток плазмы, получаемый в электродуговом источнике, является сильно ионизованным. Степень ионизации для ряда материалов приближается к 100%. Плазма содержит значительное количество двух- и трехкратно ионизованных частиц. Это является существенным преимуществом перед источниками, основанными на явлениях распыления (в том числе магнетронного) и испарения (электронным лучом, лазерным излучением и т.д.) материала, где потоки вещества имеют малую степень ионизации. Высокая степень ионизации позволяет управлять потоком с помощью электромагнитных полей, контролировать и управлять энергией атомов, приходящих на подложку, и повышает реактивность испаренного материала при формировании соединений, как с реакционным газом, так и непосредственно с материалом покрываемой подложки.

Для осаждения покрытий поток плазмы направляют на подложку, к которой, как правило, прикладывают ускоряющее напряжение для получения требуемой энергии ионов, приходящих на поверхность. Процесс нанесения покрытий обычно состоит из двух стадий. На первой стадии при достаточно глубоком вакууме (при давлении 10^-4 мм рт. ст. и ниже) к подложке прикладывают ускоряющее напряжение величиной до 1000-1500 В. Ионы материала катода ускоряются вблизи подложки в Дебаевском слое и бомбардируют ее поверхность. При бомбардировке ионами происходит очистка поверхности от загрязнений, так называемый процесс "ионной очистки". После проведения "ионной очистки" напряжение, приложенное к подложке, уменьшают до величин от нескольких десятков до нескольких сотен вольт и частицы, приходящие на подложку, конденсируются на ее поверхности, образуя покрытие, соответствующее материалу катода. Для получения покрытий сложного состава в рабочую камеру вводится реакционный газ, как правило, до давлений 10^-2-10^-4 мм рт. ст. В этом случае можно получать покрытия на основе соединений материала катода с реакционным газом.

Проблемой электродуговых источников плазмы является то, что дуговой разряд, наряду с паровой компонентой, генерирует капли расплавленного материала подложки - макрочастицы. Такие макрочастицы имеют характерные размеры от десятых долей микрона до десятков микрон. Макрочастицы могут попадать на покрываемую подложку, образуя нерегулярности в структуре покрытия, дефекты в виде впадин и выступов.

Последние исследования показали, что эти макрочастицы в ходе плазмохимической реакции преобразуются в образование кристаллического типа, твердость которых, измеренная с помощью нанотвердомера, незначительно отличается от твердости покрытий.

Это явление существенно сужает область применения электродуговых источников плазмы. Наличие макрочастиц в потоке плазмы не позволяет наносить покрытия на детали с высоким классом чистоты поверхности, на инструмент с острой заточкой, на микроинструмент размером менее 0,3 мм, значительно снижает эксплуатационные характеристики покрытий, например, такие как износостойкость, электрические и магнитные свойства. (В патентах США 2972695 (Wroe), 3783231 (Sablev et al.), 3793179 (Sablev et al.) приведены примеры установок с использованием магнитного поля и специальной конфигурации электродов для стабилизации вакуумной дуги на рабочей поверхности электродов, увеличения скорости испарения и направления потока плазмы на подложку.)

Известен способ уменьшения количества макрочастиц в потоке плазмы (патент RU 2173911, Додонов А.И. и Башков В.М.), который заключается в получении электродуговой плазмы в криволинейном плазмоводе и нанесение покрытия на подложку. Недостатком данного устройства является недостаточная скорость плазмы на выходе плазмовода и вероятность образования ионных кластеров. Кроме того, данный патент не определяет технологию нанесения многослойно-композиционных покрытий.

Целью изобретения является способ и устройство для получения многослойно-композиционных наноструктурированных покрытий и материалов.

Поставленная задача заключается в размещении подложки в вакуумной камере, ионное травление подложки и осаждение на подложку материала методом PVD в среде рабочего газа, отличающийся тем, что для осаждения материала используют не менее двух электродуговых источников плазмы с сепарацией потока, причем по крайней мере один из них снабжен катодом из тугоплавкого металла, при этом формируют импульсный газовый разряд в вакуумной камере, и при осаждении материала перемещают подложку между источниками плазмы, а рабочий газ состоит из смеси химически активных и инертного газов.

Способ осуществляется следующим образом.

Перед ионным травлением на подложку наносят слой металла, толщиной больше размера микронеровностей на поверхности, а ионное травление ведут до стравливания нанесенного слоя. При ионном травлении, по крайней мере, часть инертного газа заменяют химически активным газом. Ионное травление проводят в среде инертного газа упомянутым электродуговым источником плазмы с тугоплавким катодом с сепарацией потока при формировании импульсного газового разряда.

При нанесении покрытия подложка за каждый цикл находится под каждым источником плазмы в течение времени не более t<10/V с, где V - скорость осаждения покрытия в нм/с.

При нанесении покрытия подложка за каждый цикл находится под каждым источником плазмы в течение времени не менее t>100V с, где V - скорость осаждения покрытия в нм/с.

При нанесении покрытия промежуток времени t_p между импульсами упомянутого импульсного газового разряда удовлетворяет условию

t_p≤δ₀/C,

где δ₀ - толщина одноатомного слоя покрытия, С - скорость нанесения покрытия, а длительность импульса равна

τ_p≥k*t_p,

где k=ε/V*e, ε - энергия смещения атома в кристаллической решетке материала покрытия, V - амплитуда импульса и е - заряд электрона.

Параметры импульсов упомянутого импульсного газового разряда удовлетворяют условию

τ_p<t_p,

где τ_р - длительность импульса, и t_р - промежуток времени между импульсами.

Устройство для получения многослойно-композиционных наноструктурированных покрытий, содержащее вакуумную камеру с вертикальной осью, плазменный источник PVD, сообщающийся с внутренним объемом вакуумной камеры, электрически проводящий держатель подложки, закрепленный на механизме перемещения, высоковольтный источник питания, соединенный одним полюсом с держателем, а другим - с корпусом вакуумной камеры, и систему подачи рабочего газа в вакуумную камеру, отличающееся тем, что на боковых поверхностях вакуумной камеры установлено не менее двух электродуговых источников плазмы с сепарацией потока, направленных на вертикальную ось вакуумной камеры, при этом механизм перемещения установлен с возможностью перемещения держателя подложки по окружности с осью, совпадающей с осью вакуумной камеры.

Упомянутый источник плазмы выполнен с возможностью подачи постоянного напряжения или импульсного напряжения, или импульсного напряжения, наложенного на постоянное напряжение.

Система подачи рабочего газа выполнена многоканальной, при этом в каждом канале установлен импульсный натекатель и расходомер газа, с обеспечением синхронной работы импульсных натекателей и с возможностью регулировки частоты следования импульсов и длительности импульсов в каждом канале.

Магнитная система плазмовода выполнена с возможностью обеспечения скорости движения плазмы на выходе плазмовода более 7 км/с и отсутствия в потоке плазмы ионных кластеров, что обеспечивает формирование аморфных или кристаллических покрытий с величиной зерна, не превышающей 100 нм.

1. Способ получения многослойно-композиционного наноструктурированного покрытия, включающий размещение подложки в вакуумной камере, ионное травление подложки и осаждение на подложку материала методом PVD в среде рабочего газа, отличающийся тем, что для осаждения материала используют не менее двух электродуговых источников плазмы с сепарацией потока, причем по крайней мере один из них снабжен катодом из тугоплавкого металла, при этом формируют импульсный газовый разряд в вакуумной камере, и при осаждении материала перемещают подложку между источниками плазмы, а рабочий газ состоит из смеси химически активных и инертного газов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ионное травление проводят в среде инертного газа упомянутым электродуговым источником плазмы с тугоплавким катодом с сепарацией потока при формировании импульсного газового разряда.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед ионным травлением на подложку наносят слой металла толщиной, большей, чем размер микронеровностей на поверхности, а ионное травление ведут до стравливания нанесенного слоя.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что ионное травление проводят в смеси инертного и химически активного газа упомянутым электродуговым источником плазмы с тугоплавким катодом с сепарацией потока при формировании импульсного газового разряда.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при нанесении покрытия подложка за каждый цикл находится под каждым источником плазмы в течение времени не более t<10/V с, где V - скорость осаждения покрытия, нм/с.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при нанесении покрытия подложка за каждый цикл находится под каждым источником плазмы в течение времени не менее t>100V с, где V - скорость осаждения покрытия, нм/с.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что при нанесении покрытия промежуток времени t_p между импульсами упомянутого импульсного газового разряда удовлетворяет условиюt_p≤δ₀/C,где δ₀ - толщина одноатомного слоя покрытия; С - скорость нанесения покрытия, а длительность импульса равнаτ_p≥k·t_p,где k=ε/v·e, ε - энергия смещения атома в кристаллической решетке материала покрытия; v - амплитуда импульса, и е - заряд электрона.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что параметры импульсов упомянутого импульсного газового разряда удовлетворяют условиюτ_p<t_p,где τ_р - длительность импульса, и t_p - промежуток времени между импульсами.

9. Устройство для получения многослойно-композиционных наноструктурированных покрытий, содержащее вакуумную камеру с вертикальной осью, плазменный источник PVD, сообщающийся с внутренним объемом вакуумной камеры, электрически проводящий держатель подложки, закрепленный на механизме перемещения, высоковольтный источник питания, соединенный одним полюсом с держателем, а другим с корпусом вакуумной камеры, и систему подачи рабочего газа в вакуумную камеру, отличающееся тем, что в качестве плазменного источника PVD оно содержит не менее двух электродуговых источников плазмы с сепарацией потока, установленных на боковых поверхностях вакуумной камеры и направленных на ее вертикальную ось, при этом механизм перемещения установлен с возможностью перемещения держателя подложки по окружности с осью, совпадающей с осью вакуумной камеры.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что упомянутый источник плазмы выполнен с возможностью подачи постоянного напряжения или импульсного напряжения, или импульсного напряжения, наложенного на постоянное напряжение.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что система подачи рабочего газа выполнена многоканальной, при этом в каждом канале установлен импульсный натекатель и расходомер газа, с обеспечением синхронной работы импульсных натекателей и с возможностью регулировки частоты следования импульсов и длительности импульсов в каждом канале.

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что магнитная система плазмовода выполнена с возможностью обеспечения скорости движения плазмы на выходе плазмовода более 7 км/с и отсутствия в потоке плазмы ионных кластеров.