Исследование характеристик покрытий, синтезированных с помощью источника газовой плазмы

Проведены исследования характеристик Ti и TiN покрытий, полученных путем распыления мишени ионами, экстрагируемыми из источника газовой плазмы (ИГП). Показано, что такие покрытия, в отличие от вакуумно-дуговых, не содержат капель. Шероховатость покрытий из титана, синтезированных с помощью источника...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2011
Hauptverfasser:	Белоус, В.А., Лунев, В.М., Носов, Г.И., Толмачева, Г.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2011
Schriftenreihe:	Физическая инженерия поверхности
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76995
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Исследование характеристик покрытий, синтезированных с помощью источника газовой плазмы / В.А. Белоус, В.М. Лунев, Г.И. Носов, Г.Н. Толмачева // Физическая инженерия поверхности. — 2011. — Т. 9, № 4. — С. 332–338. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-76995
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-769952015-02-15T03:02:20Z Исследование характеристик покрытий, синтезированных с помощью источника газовой плазмы Белоус, В.А. Лунев, В.М. Носов, Г.И. Толмачева, Г.Н. Проведены исследования характеристик Ti и TiN покрытий, полученных путем распыления мишени ионами, экстрагируемыми из источника газовой плазмы (ИГП). Показано, что такие покрытия, в отличие от вакуумно-дуговых, не содержат капель. Шероховатость покрытий из титана, синтезированных с помощью источника газовой плазмы, составляла 0,1 мкм, а вакуумно-дуговых – 0,6 мкм. Микротвердость покрытий из TiN достигала значений 33 ГПа. Плотность сквозных пор для покрытий, осажденных распылением мишени, в несколько раз ниже по сравнению с вакуумно-дуговыми покрытиями. С увеличением угла наклона мишени относительно оси ИГП от 0 до 60° скорость осаждения Ti покрытий возрастала примерно в два раза (от 2,5 до 5 мкм/ч). При осаждении покрытий с помощью ИГП обеспечивалось более эффективное использование распыляемого материала в сравнении с вакуумно-дуговым методом. Проведено дослідження характеристик Ti і TiN покриттів, отриманих шляхом розпилення мішені іонами, екстрагованими з джерела газової плазми (ДГП). Показано, що такі покриття, на відміну від вакуумно-дугових, не містять краплі. Шорсткість покриттів з титану, синтезованих за допомогою джерела газової плазми, становила 0,1 мкм, а вакуумно-дугових – 0,6 мкм. Мікротвердість покриттів з TiN досягала значень 33 ГПа. Щільність наскрізних пор для покриттів, осаджених розпиленням мішені, у кілька разів нижче в порівнянні з вакуумно-дуговими покриттями. Зі збільшенням кута нахилу мішені щодо осі ДГП від 0 до 60° швидкість осадження Ti покриттів зростала приблизно у два рази (від 2,5 до 5 мкм/г). При осадженні покриттів за допомогою ИГП забезпечувалося більше ефективне використання матеріалу, що розпиляється, у порівнянні з вакуумно-дуговим методом. Studies of characteristics of Ti and TiN coverages, got the way of sputtering target by the ions extraсted from the source of gas plasma (SGP), are undertaken. It is shown that such coverages, unlike vacuum-arc, do not contain dripping snow. Roughness of coverages from titanium, synthesized by means of source of gas plasma, made 0,1 micron, and vacuum-arc – 0,6 micron. The microhardness of coverages from TiN arrived at values 33 GPa. Density of through pores for the coverages precipitated by sputtering of target, in several times below as compared to vacuum-arc coverages. With the increase of angle of slope of target in relation to the axis of SGP from 0 to 60° speed of precipitating of Ti of coverages increased ~ in two times (from 2,5 to 5 micron/hour). At precipitating of coverages by means of SGP more effective use of the sputtered material was provided by comparison to a vacuumarc method. 2011 Article Исследование характеристик покрытий, синтезированных с помощью источника газовой плазмы / В.А. Белоус, В.М. Лунев, Г.И. Носов, Г.Н. Толмачева // Физическая инженерия поверхности. — 2011. — Т. 9, № 4. — С. 332–338. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1999-8074 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76995 533.915: 539.23 ru Физическая инженерия поверхности Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Проведены исследования характеристик Ti и TiN покрытий, полученных путем распыления мишени ионами, экстрагируемыми из источника газовой плазмы (ИГП). Показано, что такие покрытия, в отличие от вакуумно-дуговых, не содержат капель. Шероховатость покрытий из титана, синтезированных с помощью источника газовой плазмы, составляла 0,1 мкм, а вакуумно-дуговых – 0,6 мкм. Микротвердость покрытий из TiN достигала значений 33 ГПа. Плотность сквозных пор для покрытий, осажденных распылением мишени, в несколько раз ниже по сравнению с вакуумно-дуговыми покрытиями. С увеличением угла наклона мишени относительно оси ИГП от 0 до 60° скорость осаждения Ti покрытий возрастала примерно в два раза (от 2,5 до 5 мкм/ч). При осаждении покрытий с помощью ИГП обеспечивалось более эффективное использование распыляемого материала в сравнении с вакуумно-дуговым методом.
format	Article
author	Белоус, В.А. Лунев, В.М. Носов, Г.И. Толмачева, Г.Н.
spellingShingle	Белоус, В.А. Лунев, В.М. Носов, Г.И. Толмачева, Г.Н. Исследование характеристик покрытий, синтезированных с помощью источника газовой плазмы Физическая инженерия поверхности
author_facet	Белоус, В.А. Лунев, В.М. Носов, Г.И. Толмачева, Г.Н.
author_sort	Белоус, В.А.
title	Исследование характеристик покрытий, синтезированных с помощью источника газовой плазмы
title_short	Исследование характеристик покрытий, синтезированных с помощью источника газовой плазмы
title_full	Исследование характеристик покрытий, синтезированных с помощью источника газовой плазмы
title_fullStr	Исследование характеристик покрытий, синтезированных с помощью источника газовой плазмы
title_full_unstemmed	Исследование характеристик покрытий, синтезированных с помощью источника газовой плазмы
title_sort	исследование характеристик покрытий, синтезированных с помощью источника газовой плазмы
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
publishDate	2011
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76995
citation_txt	Исследование характеристик покрытий, синтезированных с помощью источника газовой плазмы / В.А. Белоус, В.М. Лунев, Г.И. Носов, Г.Н. Толмачева // Физическая инженерия поверхности. — 2011. — Т. 9, № 4. — С. 332–338. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Физическая инженерия поверхности
work_keys_str_mv	AT belousva issledovanieharakteristikpokrytijsintezirovannyhspomoŝʹûistočnikagazovojplazmy AT lunevvm issledovanieharakteristikpokrytijsintezirovannyhspomoŝʹûistočnikagazovojplazmy AT nosovgi issledovanieharakteristikpokrytijsintezirovannyhspomoŝʹûistočnikagazovojplazmy AT tolmačevagn issledovanieharakteristikpokrytijsintezirovannyhspomoŝʹûistočnikagazovojplazmy
first_indexed	2025-07-06T01:23:10Z
last_indexed	2025-07-06T01:23:10Z
_version_	1836858726446792704
fulltext	332 ВВЕДЕНИЕ Несмотря на широкое использование ваку- умно-дугового метода для получения различ- ного типа покрытий, существенным его недо- статком является наличие в конденсируемом потоке капельной составляющей. Присутст- вие капель ухудшает характеристики покры- тий, такие как износостойкость, коррозион- ную стойкость, отражательную способность и т.д. Использование магнитоэлектрических систем для фильтрации плазмы, либо экранов [1 – 3] позволяет минимизировать содержа- ние капель в покрытии. Однако, такие сис- темы являются либо сравнительно сложными в конструктивном исполнении, или же не все- гда обеспечивают практически полную филь- УДК 533.915: 539.23 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОКРЫТИЙ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ С ПОМОЩЬЮ ИСТОЧНИКА ГАЗОВОЙ ПЛАЗМЫ В.А. Белоус, В.М. Лунев, Г.И. Носов, Г.Н. Толмачева Национальный Научный центр “ХФТИ” (Харьков) Украина Поступила 05.12.2011 Проведены исследования характеристик Ti и TiN покрытий, полученных путем распыления мишени ионами, экстрагируемыми из источника газовой плазмы (ИГП). Показано, что такие покрытия, в отличие от вакуумно-дуговых, не содержат капель. Шероховатость покрытий из титана, синтезированных с помощью источника газовой плазмы, составляла 0,1 мкм, а ваку- умно-дуговых – 0,6 мкм. Микротвердость покрытий из TiN достигала значений 33 ГПа. Плот- ность сквозных пор для покрытий, осажденных распылением мишени, в несколько раз ниже по сравнению с вакуумно-дуговыми покрытиями. С увеличением угла наклона мишени отно- сительно оси ИГП от 0 до 60о скорость осаждения Ti покрытий возрастала примерно в два ра- за (от 2,5 до 5 мкм/ч). При осаждении покрытий с помощью ИГП обеспечивалось более эф- фективное использование распыляемого материала в сравнении с вакуумно-дуговым методом. Ключевые слова: источник газовой плазмы, ионное распыление, осаждение покрытий, бескапельные покрытия, вакуумно-дуговые покрытия. Проведено дослідження характеристик Ti і TiN покриттів, отриманих шляхом розпилення мі- шені іонами, екстрагованими з джерела газової плазми (ДГП). Показано, що такі покриття, на відміну від вакуумно-дугових, не містять краплі. Шорсткість покриттів з титану, синтезованих за допомогою джерела газової плазми, становила 0,1 мкм, а вакуумно-дугових – 0,6 мкм. Мік- ротвердість покриттів з TiN досягала значень 33 ГПа. Щільність наскрізних пор для покриттів, осаджених розпиленням мішені, у кілька разів нижче в порівнянні з вакуумно-дуговими по- криттями. Зі збільшенням кута нахилу мішені щодо осі ДГП від 0 до 60о швидкість осадження Ti покриттів зростала приблизно у два рази (від 2,5 до 5 мкм/г). При осадженні покриттів за допомогою ИГП забезпечувалося більше ефективне використання матеріалу, що розпиляється, у порівнянні з вакуумно-дуговим методом. Ключові слова: джерело газової плазми, іонне розпилення, осадження покриттів, безкрапельні покриття, вакуумно-дугові покриття. Studies of characteristics of Ti and TiN coverages, got the way of sputtering target by the ions extraс- ted from the source of gas plasma (SGP), are undertaken. It is shown that such coverages, unlike vacuum-arc, do not contain dripping snow. Roughness of coverages from titanium, synthesized by means of source of gas plasma, made 0,1 micron, and vacuum-arc – 0,6 micron. The microhardness of coverages from TiN arrived at values 33 GPa. Density of through pores for the coverages precip- itated by sputtering of target, in several times below as compared to vacuum-arc coverages. With the increase of angle of slope of target in relation to the axis of SGP from 0 to 60о speed of precipitating of Ti of coverages increased ~ in two times (from 2,5 to 5 micron/hour). At precipitating of coverages by means of SGP more effective use of the sputtered material was provided by comparison to a va- cuum-arc method. Keywords: source of gas plasma, ion sputtering, precipitating of coverages, drip-free coverages, vacuum-arc coverages.  В.А. Белоус, В.М. Лунев, Г.И. Носов, Г.Н. Толмачева, 2011 333ФІП ФИП PSE, 2011, т. 9, № 4, vol. 9, No. 4 трацию плазмы. Кроме того, при использо- вании таких систем происходят потери испа- ряемого материала при транспортировке от катода к подложке. К бескапельным ионно- плазменным методам получения покрытий следует отнести также магнетронное распы- ление материалов в тлеющем разряде [4, 5]. Недостатком магнетронных систем является низкий коэффициент использования материа- ла мишени, поскольку ее интенсивное распы- ление происходит только на участке под обла- стью плазмы, при этом форма зоны эрозии повторяет форму разряда (кольцо, эллипс и т.д.). В связи с этим применяют профилиро- ванные мишени более сложной формы, либо перемещают их относительно магнитного по- ля, что усложняет распылительные системы. В таких системах ограничена возможность независимого регулирования параметров процесса и, соответственно, структуры по- крытий. В связи с вышеизложенным пред- ставлялось целесообразным провести иссле- дования по получению бескапельных покры- тий путем распыления мишени газовыми ионами, извлекаемыми из плазмы, генериру- емой источником газовой плазмы (ИГП) [6]. Такой источник обладает рядом достоинств – возможностями простого управления тех- нологическим процессом и использования различных рабочих газов (Ar, N2, H2 и др.), высокой производительностью. При исполь- зовании такого источника для травления стальной подложки ионами Ar+ достигнута скорость травления 30 мкм/ч. В настоящей работе с помощью такого источника осажда- лись покрытия из Cu, Ti и TiN. Исследовались характеристики получаемых пленок (морфо- логия поверхности, шероховатость, порис- тость и микротвердость) и сравнивались с ха- рактеристиками покрытий, осажденных из несепарированных потоков плазмы вакуум- но-дугового разряда. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ Схематический чертеж распылительной сис- темы с термоэмиссионным ИГП приведен на рис. 1а, б. ИГП содержал вольфрамовый термокатод (1) с катодным экраном (2), цилиндрический анод (3) и соленоид (4), создававший магнит- ное поле величиной до 50 Э. Ток накала сос- тавлял 110 А. ИГП работал следующим об- разом. При напуске в систему рабочего газа (аргона либо его смеси с азотом) зажигался дуговой разряд низкого давления с термока- тодом в скрещенных электрическом и магни- тном полях. Плазма, генерируемая разрядом, направлялась на мишень. К мишени прикла- дывался отрицательный потенциал, равный –400 В. Исследовались два варианта размещения мишеней и подложек относительно потока а) б) Рис. 1а, б. Схематическое изображение установки для получения покрытий с помощью термоэмиссионного ИГП (а – расположение мишени перпендикулярно оси источника; б – под углом к оси источника). 1 – вольф- рамовый накаливаемый катод; 2 – катодный экран; 3 – анод; 4 – соленоид; 5 – мишень; 6 – подложка с образцами; Eн, Eа, Eп, Eм – источники питания накала, анода, подложки и мишени. В.А. БЕЛОУС, В.М. ЛУНЕВ, Г.И. НОСОВ, Г.Н. ТОЛМАЧЕВА 334 газовой плазмы. В первом случае (рис. 1а) ми- шень располагалась перпендикулярно оси ис- точника, а образцы крепились на подложко- держателе таким образом, чтобы напыляемая поверхность находилась в тени по отноше- нию к плазменному потоку. Подложкодержатель представлял собой полосу из нержавеющей стали длиной 150 и шириной 15 мм с отбортовкой в сторону, об- ратную от анода. Расстояние от мишени до анода составляло 20 мм, а от мишени до об- разцов 10 мм. Мишень имела форму квадрата площадью ~200 см2. Во втором варианте ми- шень находилась под углом по отношению к потоку, равным 60°. Расстояние от центра ми- шени до анода равнялось 100 мм (рис. 1б). Эксперименты проводились при положитель- ном потенциале анода в интервале от 45 до 55 В и токе разряда 55 ÷ 70 А. При этом при осаждении Cu и Ti на подложку подавался от- рицательный потенциал, равный 30 В, а для TiN – 100 В. Покрытия из Cu и Ti осажда- лись при давлении Ar равном 5⋅10–1 Па, а из TiN в смеси Ar и N2 в соотношении 1:1 при суммарном давлении такой же величины. В ходе эксперимента определялись радиальные распределения скорости травления мишени и скорости осаждения покрытий либо по убы- ли, либо по привесу массы образцов, соответ- ственно, а также методом “теневых ножей” на микроинтерферометре МИИ-4. Сквозная пористость определялась методом наложения фильтровальной бумаги. Твердость покрытий измерялась с помощью приборов ПМТ-3 и наноиндентора (Nanoindentor G200), а шеро- ховатость поверхности – профилометром ти- па АП модель 283. Исходная шероховатость поверхности подложек Rа составляла ∼ 0,06 мкм. Полученные результаты сравнивались с хара- ктеристиками пленок, осажденных из несепа- рированных потоков плазмы вакуумно-ду- гового разряда. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Как показали эксперименты, с увеличением давления аргона плотность тока на медную мишень, расположенную перпендикулярно оси источника, возрастает и при давлении 5⋅10–1 Па достигает значения, равного 25 мА/см2 (рис. 2). При расположении мишени и подложки, показанном на рис. 1а, радиальные распреде- ления скорости травления мишени и скорос- ти осаждения покрытий имеют экстремаль- ный характер. Наибольшие их значения име- ют место в направлении оси системы. Так, для Cu и Ti скорость травления составляла 18 и 7,8 мкм/час при давлении Ar – 2,5⋅10-1 Па и плотности тока мишени 25 мА/см2. Для TiN, полученного вакуумно-дуговым методом, она равнялась 4 мкм/час. Радиальные распределе- ния скорости осаждения покрытий в направ- лении оси системы для меди, титана и нит- рида титана они равнялись 12; 5,5 и 3,0 мкм/ час соответственно (табл. 1). Радиальные распределения скоростей оса- ждения покрытий из Ti, Cu и TiN при распы- лении мишеней из Ti, Cu и TiN приведены на рис. 3. Уменьшение скорости осаждения покры- тий в ряду Cu-Ti-TiN связано с уменьшением коэффициента распыления материала мише- ней ионами Ar+. Для TiN это связано с образо- ванием эрозионностойких соединений на по- верхности мишени. Такое явление характер- но также для вакуумно-дугового метода, где образующиеся на рабочей поверхности като- Рис. 2. Зависимость плотности ионного тока (Ii ) на медную мишень от давления аргона (РAr) при потен- циале мишени Vм = –400 В. Таблица 1 Скорости травления мишени и скорости осаждения покрытия для Cu, Ti и TiN, полученных с помощью ИГП Материал мишени Cu Ti TiN Скорость травления мишени, мкм/час 18 7,8 4 Скорость осаждения покрытия, мкм/час 12 5,5 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОКРЫТИЙ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ С ПОМОЩЬЮ ИСТОЧНИКА ГАЗОВОЙ ПЛАЗМЫ ФІП ФИП PSE, 2011, т. 9, № 4, vol. 9, No. 4 335ФІП ФИП PSE, 2011, т. 9, № 4, vol. 9, No. 4 да дугостойкие соединения TiN снижают эрозию катода и количество генерируемых частиц в виде капель. На рис. 4 показана морфология поверхно- сти титановых покрытий, осажденных ваку- умно-дуговым методом (а) и путем распыле- ния мишени ионами, извлекаемыми из ИГП (б). Из рис. 4 следует, что на поверхности по- крытия, осажденного распылением мишени в газовом источнике, дефекты в виде капель отсутствуют, в то время как для вакуумно-ду- гового метода характерно присутствие боль- шого количества капель размером до 50 мкм. Шероховатость таких покрытий составляла, соответственно 0,1 и 0,6 мкм (табл. 2). Шероховатости покрытий из нитрида ти- тана, полученных при помощи вакуумно-ду- гового источника (ВДИ) и ИГП, имели близ- кие значения (0,1 и 0,07 мкм) (табл. 3). На рис. 5 приведена зависимость плотно- сти сквозных пор от толщины для покрытий из TiN, осажденных с помощью ИГП и из несепарированных потоков плазмы вакуум- но-дугового разряда. Покрытия осаждались на подложки из Ст. 3 с шероховатостью по- верхности ∼ 0,3 мкм. Из приведенных графи- ков следует, что с увеличением толщины пле- нок происходит резкое снижение пористости. Рис. 3. Радиальные распределения скоростей осажде- ния покрытий из Cu (1), Ti (2) и TiN (3). Vм = –400 В; РAr = 4⋅10–1 Па; Ji = 18 мА/см2 (Cu) и 27 мА/см2 (Ti и TiN). а) б) Рис. 4. Фотографии поверхности титановых конденса- тов, осажденных вакуумно-дуговым методом (а) и с помощью ИГП (б). ×800. Таблица 2 Сравнительные характеристики ИГП и ВДИ при осаждении титана ИГП ВДИ –Vп, В РAr, Па Ra, мкм –Vп, В РAr, Па Ra, мкм 30 0,22 0,1 30 0,01 0,6 Таблица 3 Сравнительные характеристики ИГП и ВДИ при осаждении TiN ИГП –Vп, В РAr, Па Ra, мкм Нµ, ГПа 100 0,45 0,07 33 –Vп, В РAr, Па Ra, мкм Нµ, ГПа 200 0,3 0,1 28,5 ВДИ Рис. 5. Зависимость плотности сквозных пор от тол- щины покрытий TiN, осажденных с помощью газо- вого источника (1) и вакуумно-дуговым методом (2). В.А. БЕЛОУС, В.М. ЛУНЕВ, Г.И. НОСОВ, Г.Н. ТОЛМАЧЕВА 336 Плотность сквозных пор для покрытий, осажденных с помощью источника газовой плазмы, более низкая, по сравнению с ваку- умно-дуговым методом. Так, для покрытий толщиной ∼ 6 мкм она была в 4 раза ниже. Поверхности покрытий из нитрида титана, полученные вакуумно-дуговым методом и с помощью ИГП, имели ячеистую структуру, что в предположении авторов работы [7] свя- зано со сжимающими напряжениями в по- крытии, достигающими значений 5 – 6 ГПа. На рис. 6 показана зависимость микро- твердости покрытий из нитрида титана от парциального давления N2 в смеси с Ar. Из рис. 6 видно, что с увеличением парци- ального давления азота микротвердость по- крытий растет и при РN2 ∼ 2,5⋅10–1 Па дости- гает значения 33 ГПа. Были также проведены измерения скоро- сти осаждения титановых покрытий в зави- симости от угла наклона мишени относитель- но оси ИГП. Мишень и образцы располага- лись в соответствии с рис. 1а. В этих экспери- ментах расстояние между мишенью и образ- цами составляло ∼ 8 мм, а между центром ми- шени и анодом – 12 мм. Образцы располага- лись в двух взаимно перпендикулярных на- правлениях – горизонтальном и вертикаль- ном. Угол наклона изменялся поворотом ми- шени и образцов относительно оси ИГП. На рис. 7 и 8 приведены радиальные рас- пределения скоростей осаждения покрытий для различных углов наклона мишени. Из рис. 7, 8 следует, что скорости осаждения по- крытий для вертикально и горизонтально рас- положенных образцов максимальны на оси системы. С увеличением угла наклона мише- ни от 0 до 60° скорость возрастала примерно в два раза (от 2,5 до 5 мкм/ч), что связано с ростом коэффициента распыления мишени. При углах свыше 60° скорость осаждения уменьшалась, что может быть обусловлено частичным отражением ионов [6]. В зависимости от размеров и формы напы- ляемых изделий схема их расположения от- носительно мишени и ИГП может быть раз- личной. Однако, в любом случае изделие не должно было существенно перекрывать плаз- менный поток, поступающий на мишень, а металлизируемая поверхность должна нахо- диться в тени по отношению к потоку газо- вых ионов. На рис. 1б приведена одна из воз- можных схем расположения образцов (из- делий) и мишени относительно ИГП, отве- чающая таким условиям. При таком распо- ложении образцов и мишени были проведены измерения скорости осаждения покрытий из Ti на образцы, расположенные на различных Рис. 6. Зависимость микротвердости покрытия из TiN, осажденного с помощью ИГП в смеси N2 и Ar в со- отношении 1:1, от парциального давления азота Р. Рис. 7. Радиальное распределение скоростей осажде- ния покрытий из Ti в зависимости от угла наклона мишени относительно оси источника для горизон- тального расположения образцов согласно рис. 1а. 1 – 0°; 2 – 45°; 3 – 75°; 4 – 60°. Рис. 8. Распределение скоростей осаждения покрытий из Ti в зависимости от угла наклона мишени относи- тельно оси источника для вертикального расположе- ния образцов согласно рис. 1а. 1 – 0°; 2 – 75°; 3 – 60°. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОКРЫТИЙ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ С ПОМОЩЬЮ ИСТОЧНИКА ГАЗОВОЙ ПЛАЗМЫ ФІП ФИП PSE, 2011, т. 9, № 4, vol. 9, No. 4 337ФІП ФИП PSE, 2011, т. 9, № 4, vol. 9, No. 4 расстояниях от ИГП. Так, из результатов, представленных на рис. 9, следует, что с уве- личением растояния от 2 до 15 см скорость осаждения изменяется от 3 до 1,5 мкм/ч, т.е. уменьшается в два раза. Предварительная оценка энергетической эффективности метода осаждения покрытий с помощью ИГП (плотности мощности Wр, затрачиваемой на реализацию процесса осаж- дения, отнесенной к массе вещества mр, рас- пыляемой в единицу времени с единицы по- верхности) показала, что по этому параметру описанный метод уступает вакуумно-дуго- вому и магнетронному методам. Однако, при осаждении покрытий с помощью ИГП обе- спечивается более эффективное использова- ние распыляемого материала. В табл. 4 представлены коэффициенты пе- реноса массы испаряемого титана на поверх- ность образца площадью 150 см2 (∆mи – испа- ряемая масса, ∆mк – конденсируемая маса). Для газового источника мишень и образцы располагались согласно рис. 1б. Так как для покрытий, осажденных ваку- умно-дуговым методом и с использованием ИГП, характерна неравномерность по тол- щине, то при подсчете массы сконденсиро- ванного материала ∆mк использовались сред- ние значения скорости осаждения покрытий, которые определялись графическим интегри- рованием радиальных распределений. Из табл. 4 следует, что при использовании ИГП коэффициент переноса массы распыляе- мого материала составляет ∼ 21%, в то время как для вакуумно-дугового метода он заметно ниже (∼ 3% в прямом протоке и ∼ 0,04% в фи- льтрованном потоке), что связано с потерями испаряемого материала при его транспорти- ровке на покрываемую поверхность. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Показана перспективность использования источника газовой плазмы для получения бескапельных покрытий. Метод осажде- ния покрытий с использованием ИГП по сравнении с магнетронным и вакуумно- дуговым методами отличается более высо- ким коэффициентом использования мате- риала мишени и более широкими возмож- ностями независимого регулирования параметров процесса осаждения и, соот- ветственно, более тонкого управления структурой покрытий. 2. Полученные с помощью ИГП покрытия обладали высокой микротвердостью (∼ 33 ГПа – для TiN) и более низкой шеро- ховатостью (∼ 0,1 мкм для Ст. 3), чем для вакуумно-дуговых покрытий (28 ГПа и ∼ 0,6 мкм, соответственно). 3. Показано, что процесс осаждения покры- тий с использованием ИГП характеризу- ется более высоким коэффициентом пере- носа массы. Так, при осаждении титана на покрываемую поверхность он состав- лял ∼ 21%, в то время как для вакуумно- дугового метода он заметно ниже (∼ 3% в прямом потоке и ∼ 0,04% в фильтрован- ном). 4. Плотность сквозных пор для покрытий, осажденных с помощью ИГП, в несколько раз ниже по сравнению с вакуумно-дуго- вым методом. ЛИТЕРАТУРА 1. Васильев В.В., Волков Ю.Я., Лучанинов А.А., Решетняк Е.Н., Стрельницкий В.Е., Толмаче- ва Г.Н. Сравнительные характеристики пле- Рис. 9. Зависимость скорости осаждения покрытий из Ti от расстояния до источника газовой плазмы при рас- положении мишени и образцов согласно рис. 1б. Таблица 4 Характеристики массопереноса катод (мишень) при осаждении покрытий из Ti на поверхность площадью 150 см2 Метод осаждения покрытий ∆mи , г/ч ∆mк, г/ч ∆mк/∆mи⋅100% Вакуумно-дуговой (прямой поток) 18 0,54 3 Вакуумно-дуговой с фильтрацией плазмы 36 0,135 0,0375 Осаждение с помощью ИГП 0,8 0,17 21 В.А. БЕЛОУС, В.М. ЛУНЕВ, Г.И. НОСОВ, Г.Н. ТОЛМАЧЕВА 338 нок TiN, осажденных из вакуумно-дуговых источников с прямолинейным и криволиней- ным фильтрами//Сб. науч. раб. Междунар. науч. конференции “Физико-химические ос- новы формирования и модификации микро- и наноструктур”. – 2009. – Т. 1. – С. 253-257. 2. Овчаренко В.Д., Аксенов И.И., Дятлов А.В., Ломино Н.С., Заднепровский Ю.А. Формиро- вание TiN покрытий в системе с радиальными потоками сепарированной плазмы//Тр. 5го Междунар. симпоз. “Вакуумные технологии и оборудование”. – 2002. – С. 145-149. 3. Неволин В.Н., Фоминский В.Ю., Гнедо- вец А.Г., Романов Р.И. Особенности импульс- ного лазерного осаждения тонкопленочных покрытий с применением противокапельного экрана//ЖТФ. – 2009. – Т. 79, Вып. 11. – С. 120-127. 4. Данилин Б.С. Применение низкотемператур- ной плазмы для нанесения тонких пленок. – М.: Энергоиздат, 1989. – 328 с. 5. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы.– М.: Радио и связь, 1982. – 72 с. 6. Belous V.A., Nosov G.I. Ion sputtering of met- als in a system with a thermoionic inert gas plas- ma source//Proceeding of 6th Int. Symposium “TATF-98”. (Regensburg, Germany). – 1998. – P. 303-306. 7. Шулаев В.М., Андреев А.А. О возможном ме- ханизме возникновения ячеистого микроре- льефа на поверхности наноструктурных ва- куумно-дуговых покрытий//Сб. науч. тр. Междунар. конф. “ФММН-2009”, Харьков. – 2009. – С. 586-589. 8. Плешивцев Н.В. Катодное распыление. – М.: Атомиздат, 1968. – 347 с. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОКРЫТИЙ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ С ПОМОЩЬЮ ИСТОЧНИКА ГАЗОВОЙ ПЛАЗМЫ ФІП ФИП PSE, 2011, т. 9, № 4, vol. 9, No. 4 LITERATURA 1. Vasilyev V.V., Volkov Yu.Ya., Luchaninov A.A., Reshetnyak Ye.N., Strelnitskiy V.E., Tolmache- va G.N. Sravnitelnyye kharakteristiki plenok TiN, osazhdennykh iz vakuumno-dugovykh is- tochnikov s pryamolineynym i krivolineynym fil- trami//Sb. nauch. rab. Mezhdunar. nauch. kon- ferentsii “Fiziko-khimicheskiye osnovy formiro- vaniya i modifikatsii mikro- i nanostruktur”. – 2009. – T. 1. – S. 253-257. 2. Ovcharenko V.D., Aksenov I.I., Dyatlov A.V., Lomino N.S., Zadneprovskiy Yu.A. Formirova- niye TiN pokrytiy v sisteme s radialnymi poto- kami separirovannoy plazmy//Tr. 5go Mezhdu- nar. simpoz. “Vakuumnyye tekhnologii i oboru- dovaniye”. – 2002. – S. 145-149. 3. Nevolin V.N., Fominskiy V.Yu., Gnedovets A.G., Romanov R.I. Osobennosti impulsnogo lazerno- go osazhdeniya tonkoplenochnykh pokrytiy s pri- meneniyem protivokapelnogo ekrana//ZhTF. – 2009. – T. 79, Vyp. 11. – S. 120-127. 4. Danilin B.S. Primeneniye nizkotemperaturnoy plazmy dlya naneseniya tonkikh plenok. – M.: Energoizdat, 1989. – 328 s. 5. Danilin B.S., Syrchin V.K. Magnetronnyye ras- pylitelnyye sistemy.– M.: Radio i svyaz, 1982. – 72 s. 6. Belous V.A., Nosov G.I. Ion sputtering of metals in a system with a thermoionic inert gas plasma source//Proceeding of 6th Int. Symposium “TATF-98”. (Regensburg, Germany). – 1998. – P. 303-306. 7. Shulayev V.M., Andreyev A.A. O vozmozhnom mekhanizme vozniknoveniya yacheistogo mikro- relyefa na poverkhnosti nanostrukturnykh vaku- umno-dugovykh pokrytiy//Sb. nauch. tr. Mezh- dunar. konf. “FMMN-2009”, Kharkov. – 2009. – S. 586-589. 8. Pleshivtsev N.V. Katodnoye raspyleniye. – M.: Atomizdat, 1968. – 347 s.

Исследование характеристик покрытий, синтезированных с помощью источника газовой плазмы

Institution

Ähnliche Einträge