Использование тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, для синтеза алмазных покрытий
В ННЦ ХФТИ (г. Харьков) разработан метод активации рабочего газа с помощью тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, для синтеза алмаза из газовой фазы. Этот метод обладает рядом преимуществ по сравнению с другими существующими методами: СВЧ-методом, различными типами дуговых разрядов и...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Datum: | 2004 |
| Hauptverfasser: | , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2004
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81338 |
| 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: | Использование тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, для синтеза алмазных покрытий / В.К. Пашнев, В.Е. Стрельницкий, О.А. Опалев, В.И. Грицына, И.И. Выровец, Ю.А. Бизюков, В.А. Столбовой // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 6. — С. 167-171. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81338 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Пашнев, В.К. Стрельницкий, В.Е. Опалев, О.А. Грицына, В.И. Выровец, И.И. Бизюков, Ю.А. Столбовой, В.А. 2015-05-14T19:18:53Z 2015-05-14T19:18:53Z 2004 Использование тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, для синтеза алмазных покрытий / В.К. Пашнев, В.Е. Стрельницкий, О.А. Опалев, В.И. Грицына, И.И. Выровец, Ю.А. Бизюков, В.А. Столбовой // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 6. — С. 167-171. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81338 537.525:539.23:679.826 В ННЦ ХФТИ (г. Харьков) разработан метод активации рабочего газа с помощью тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, для синтеза алмаза из газовой фазы. Этот метод обладает рядом преимуществ по сравнению с другими существующими методами: СВЧ-методом, различными типами дуговых разрядов и методом "горячей нити". Тлеющий разряд, стабилизированный магнитным полем, позволяет наносить покрытия на большие поверхности (до 50 см диаметром), получать достаточно высокую скорость роста алмазных покрытий и обладает низким уровнем примесей. Представлены результаты исследований, проведенных на установке с уровнем мощности, вводимой в разряд, около 5 кВт и диаметром подложкодержателя 5 см. Скорость роста алмазного покрытия достигала 3 мкм/ч. В ННЦ ХФТІ (м. Харків) розроблений метод активації робочого газу за допомогою тліючого розряду, стабілізованого магнітним полем, для синтезу алмаза з газової фази. Цей метод має низку переваг у порівнянні з іншими існуючими методами: СВЧ-методом, різними типами дугових розрядів і методом "гарячої нитки". Тліючий розряд, стабілізований магнітним полем, дозволяє наносити покриття на великі поверхні (до 50 см діаметром), одержувати досить високу швидкість росту алмазних покрить і має низький рівень домішок. Представлені результати досліджень, проведених на установці з рівнем потужності, що вводиться в розряд, близько 5 кВт і діаметром підкладки 5 см. Швидкість росту алмазного покриття досягала 3 мкм/год. In NSC KIPT (Kharkov) the method of working gas activation with the help of the glow discharge stabilized by a magnetic field for the synthesis of diamond from a 172 gas phase is developed. This method has a number of advantages in comparison with other existing methods: microwave method, different types of arc discharges and method of "hot filament". The glow discharge stabilized by a magnetic field allows to deposit coatings on large surfaces (up to 50 cm in diameter), to obtain sufficiently high growth rate of diamond coatings and has low level of impurities. In the given article the outcomes of researches performed on the setup with a power entered in discharge about 5 kW and substrateholder diameter 5 cm are presented. The growth rate of diamond coating reached 3 µm/h. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ Использование тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, для синтеза алмазных покрытий Використання тліючого розряду, стабілізованого магнітним полем, для синтезу алмазних покрить Using of the glow discharge stabilized by a magnetic field for the diamond coating synthesis Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Использование тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, для синтеза алмазных покрытий |
| spellingShingle |
Использование тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, для синтеза алмазных покрытий Пашнев, В.К. Стрельницкий, В.Е. Опалев, О.А. Грицына, В.И. Выровец, И.И. Бизюков, Ю.А. Столбовой, В.А. Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ |
| title_short |
Использование тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, для синтеза алмазных покрытий |
| title_full |
Использование тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, для синтеза алмазных покрытий |
| title_fullStr |
Использование тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, для синтеза алмазных покрытий |
| title_full_unstemmed |
Использование тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, для синтеза алмазных покрытий |
| title_sort |
использование тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, для синтеза алмазных покрытий |
| author |
Пашнев, В.К. Стрельницкий, В.Е. Опалев, О.А. Грицына, В.И. Выровец, И.И. Бизюков, Ю.А. Столбовой, В.А. |
| author_facet |
Пашнев, В.К. Стрельницкий, В.Е. Опалев, О.А. Грицына, В.И. Выровец, И.И. Бизюков, Ю.А. Столбовой, В.А. |
| topic |
Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ |
| topic_facet |
Работы молодых ученых института физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТИ |
| publishDate |
2004 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Використання тліючого розряду, стабілізованого магнітним полем, для синтезу алмазних покрить Using of the glow discharge stabilized by a magnetic field for the diamond coating synthesis |
| description |
В ННЦ ХФТИ (г. Харьков) разработан метод активации рабочего газа с помощью тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, для синтеза алмаза из газовой фазы. Этот метод обладает рядом преимуществ по сравнению с другими существующими методами: СВЧ-методом, различными типами дуговых
разрядов и методом "горячей нити". Тлеющий разряд, стабилизированный магнитным полем, позволяет наносить покрытия на большие поверхности (до 50 см диаметром), получать достаточно высокую скорость роста алмазных покрытий и обладает низким уровнем примесей. Представлены результаты исследований, проведенных на установке с уровнем мощности, вводимой в разряд, около 5 кВт и диаметром подложкодержателя 5 см. Скорость роста алмазного покрытия достигала 3 мкм/ч.
В ННЦ ХФТІ (м. Харків) розроблений метод
активації робочого газу за допомогою тліючого
розряду, стабілізованого магнітним полем, для
синтезу алмаза з газової фази. Цей метод має низку
переваг у порівнянні з іншими існуючими
методами: СВЧ-методом, різними типами дугових
розрядів і методом "гарячої нитки". Тліючий розряд,
стабілізований магнітним полем, дозволяє наносити покриття на великі поверхні (до 50 см діаметром),
одержувати досить високу швидкість росту
алмазних покрить і має низький рівень домішок.
Представлені результати досліджень, проведених на
установці з рівнем потужності, що вводиться в
розряд, близько 5 кВт і діаметром підкладки 5 см.
Швидкість росту алмазного покриття досягала
3 мкм/год.
In NSC KIPT (Kharkov) the method of working gas
activation with the help of the glow discharge stabilized
by a magnetic field for the synthesis of diamond from a
172 gas phase is developed. This method has a number of
advantages in comparison with other existing methods:
microwave method, different types of arc discharges
and method of "hot filament". The glow discharge
stabilized by a magnetic field allows to deposit coatings
on large surfaces (up to 50 cm in diameter), to obtain
sufficiently high growth rate of diamond coatings and
has low level of impurities. In the given article the
outcomes of researches performed on the setup with a
power entered in discharge about 5 kW and
substrateholder diameter 5 cm are presented. The
growth rate of diamond coating reached 3 µm/h.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81338 |
| citation_txt |
Использование тлеющего разряда, стабилизированного магнитным полем, для синтеза алмазных покрытий / В.К. Пашнев, В.Е. Стрельницкий, О.А. Опалев, В.И. Грицына, И.И. Выровец, Ю.А. Бизюков, В.А. Столбовой // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 6. — С. 167-171. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT pašnevvk ispolʹzovanietleûŝegorazrâdastabilizirovannogomagnitnympolemdlâsintezaalmaznyhpokrytii AT strelʹnickiive ispolʹzovanietleûŝegorazrâdastabilizirovannogomagnitnympolemdlâsintezaalmaznyhpokrytii AT opalevoa ispolʹzovanietleûŝegorazrâdastabilizirovannogomagnitnympolemdlâsintezaalmaznyhpokrytii AT gricynavi ispolʹzovanietleûŝegorazrâdastabilizirovannogomagnitnympolemdlâsintezaalmaznyhpokrytii AT vyrovecii ispolʹzovanietleûŝegorazrâdastabilizirovannogomagnitnympolemdlâsintezaalmaznyhpokrytii AT bizûkovûa ispolʹzovanietleûŝegorazrâdastabilizirovannogomagnitnympolemdlâsintezaalmaznyhpokrytii AT stolbovoiva ispolʹzovanietleûŝegorazrâdastabilizirovannogomagnitnympolemdlâsintezaalmaznyhpokrytii AT pašnevvk vikoristannâtlíûčogorozrâdustabílízovanogomagnítnimpolemdlâsintezualmaznihpokritʹ AT strelʹnickiive vikoristannâtlíûčogorozrâdustabílízovanogomagnítnimpolemdlâsintezualmaznihpokritʹ AT opalevoa vikoristannâtlíûčogorozrâdustabílízovanogomagnítnimpolemdlâsintezualmaznihpokritʹ AT gricynavi vikoristannâtlíûčogorozrâdustabílízovanogomagnítnimpolemdlâsintezualmaznihpokritʹ AT vyrovecii vikoristannâtlíûčogorozrâdustabílízovanogomagnítnimpolemdlâsintezualmaznihpokritʹ AT bizûkovûa vikoristannâtlíûčogorozrâdustabílízovanogomagnítnimpolemdlâsintezualmaznihpokritʹ AT stolbovoiva vikoristannâtlíûčogorozrâdustabílízovanogomagnítnimpolemdlâsintezualmaznihpokritʹ AT pašnevvk usingoftheglowdischargestabilizedbyamagneticfieldforthediamondcoatingsynthesis AT strelʹnickiive usingoftheglowdischargestabilizedbyamagneticfieldforthediamondcoatingsynthesis AT opalevoa usingoftheglowdischargestabilizedbyamagneticfieldforthediamondcoatingsynthesis AT gricynavi usingoftheglowdischargestabilizedbyamagneticfieldforthediamondcoatingsynthesis AT vyrovecii usingoftheglowdischargestabilizedbyamagneticfieldforthediamondcoatingsynthesis AT bizûkovûa usingoftheglowdischargestabilizedbyamagneticfieldforthediamondcoatingsynthesis AT stolbovoiva usingoftheglowdischargestabilizedbyamagneticfieldforthediamondcoatingsynthesis |
| first_indexed |
2025-11-25T17:44:46Z |
| last_indexed |
2025-11-25T17:44:46Z |
| _version_ |
1850519075779772416 |
| fulltext |
УДК 537.525:539.23:679.826
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА, СТАБИЛИЗИРОВАННО-
ГО МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ, ДЛЯ СИНТЕЗА АЛМАЗНЫХ
ПОКРЫТИЙ
В.К.Пашнев, В.Е.Стрельницкий, О.А.Опалев, В.И.Грицына,
И.И.Выровец, Ю.А.Бизюков, В.А.Столбовой
Национальный научный центр «Харьковский физико-техниче-
ский институт»,
61108, г. Харьков, ул. Академическая,1, Украина
В ННЦ ХФТИ (г. Харьков) разработан метод активации рабочего газа с помощью тлеющего разряда, ста-
билизированного магнитным полем, для синтеза алмаза из газовой фазы. Этот метод обладает рядом пре-
имуществ по сравнению с другими существующими методами: СВЧ-методом, различными типами дуговых
разрядов и методом "горячей нити". Тлеющий разряд, стабилизированный магнитным полем, позволяет на-
носить покрытия на большие поверхности (до 50 см диаметром), получать достаточно высокую скорость ро-
ста алмазных покрытий и обладает низким уровнем примесей. Представлены результаты исследований, про-
веденных на установке с уровнем мощности, вводимой в разряд, около 5 кВт и диаметром подложкодержа-
теля 5 см. Скорость роста алмазного покрытия достигала 3 мкм/ч.
ВВЕДЕНИЕ
Алмаз – минерал, обладающий набором уникаль-
ных свойств: чрезвычайно высокая твёрдость (са-
мый твёрдый материал на Земле), экстремально вы-
сокая теплопроводность (в 4…6 раз выше, чем у
меди), прекрасные диэлектрические свойства, высо-
кая химическая стойкость при воздействии агрес-
сивных сред и т. д. Все эти свойства привлекают к
алмазу огромный интерес. Однако широкому ис-
пользованию алмаза препятствует его высокая стои-
мость и ограниченный размер природных алмазов.
Поэтому значительные усилия были направлены на
разработку методов создания искусственных алма-
зов.
Широкое развитие получил метод создания кри-
сталлов алмаза с помощью высокого давления: ста-
тического и динамического (взрыв). Полученные та-
ким способом кристаллы алмаза нашли разнообраз-
ное применение в инструментальной промышленно-
сти и других областях науки и техники. В последнее
время активно разрабатывается метод синтеза ал-
мазных покрытий с помощью химического осажде-
ния из газовой фазы (CVD). В этом методе при дав-
лениях ниже атмосферного производится активация
водородно-углеводородной газовой смеси при тем-
пературах несколько тысяч градусов; активирован-
ная смесь осаждается на подложку при температуре
около 1000°С. Более простые условия синтеза ал-
мазного материала позволяют надеяться, что в неда-
леком будущем можно получить алмазный материал
с низкой себестоимостью. В настоящее время это
наиболее перспективный метод синтеза алмазного
материала, громадным достоинством которого яв-
ляется возможность получения алмазного покрытия
и свободных алмазных пластин протяженных разме-
ров, имеющих большую практическую ценность.
Полученные алмазные покрытия и свободные ал-
мазные пластины уже находят применение в различ-
ных областях науки и техники. К настоящему време-
ни существует общее понимание процессов синтеза
алмаза с помощью химического осаждения из газо-
вой фазы, но для широкого промышленного внедре-
ния этой технологии необходимо разработать высо-
коэффективное оборудование, обеспечивающее низ-
кую себестоимость алмазной продукции.
В ННЦ ХФТИ, г. Харьков, в течение ряда лет
проводятся широкие исследования по использова-
нию различных методов активации рабочего газа
при синтезе алмаза. Для этих целей успешно апро-
бирован тлеющий разряд, стабилизированный маг-
нитным полем [1-5]. Этот метод активации рабочего
газа обладает большими преимуществами по срав-
нению с другими широко используемыми CVD-ме-
тодами, такими как: СВЧ и ВЧ–методы, дуговые
плазмотроны и метод «горячей» нити. Тлеющий раз-
ряд, стабилизированный магнитным полем, облада-
ет возможностью введения высокой удельной мощ-
ности в разряд (свыше 150 Вт/см3), сравнимой с
СВЧ–системами и дуговыми плазматронами, низ-
ким уровнем поступающих примесей, сравнимым с
СВЧ и ВЧ–системами, и самое главное – возможно-
стью нанесения алмазных покрытий на большие по-
верхности аналогично методу «горячей» нити, но с
гораздо большей производительностью.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Свойства тлеющего разряда, стабилизированного
магнитным полем, для нанесения алмазных покры-
тий и роста отдельных кристаллов изучались на ла-
бораторной установке с уровнем вводимой мощно-
сти около 5 кВт и диаметром подложкодержателя
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 6.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (14), с. 167-171.
167
5 см. Схема установки приведена на рис. 1. Тлею-
щий разряд зажигается поперек магнитного поля
между катодом и анодом. Рабочая газовая смесь ак-
тивируется в токовом канале, который под действи-
ем силы Лоренца вращается вокруг оси катод-анод,
что позволяет производить осаждение алмазного по-
крытия на большие поверхности. Размер покрывае-
мой поверхности в основном, зависит от величины
мощности, передаваемой в разряд. Давление рабоче-
го газа было 50…300 Торр, в качестве рабочего газа
использовалась смесь водорода с метаном (до 3%),
напряженность магнитного поля достигала 230 Гс.
Вольт-амперные характеристики разряда приве-
дены на рис. 2. Видно, что при данном давлении
газа напряжение между анодом и катодом не зави-
сит от тока, т. е. по существующей терминологии
наблюдается «нормальный» тлеющий разряд. Сум-
ма прикатодного и прианодного падения потенциала
превышает 700 В при давлении более 150 Торр,
плотность тока в разряде превышает 1 А/см2. Спектр
оптического излучения из разряда вблизи катода
совпадает со свечением положительного столба раз-
ряда; не наблюдается свечение паров материала ка-
тода. При малых давлениях отчетливо наблюдается
прикатодное темное пространство. Отсутствует ка-
тодное пятно, характерное для дугового разряда.
Иногда при изменении условий разряда разряд пере-
ходит в дуговой со всеми характерным признаками:
разрядное напряжение падает более чем в 2 раза, ток
возрастает почти в 2 раза, наблюдается катодное
пятно. Таким образом, газовый разряд, используе-
мый для активации рабочего газа, по основным ха-
рактеристикам совпадает с тлеющим разрядом. Од-
нако плотность тока в токовом канале (>1 А/см2) су-
щественно превосходит типичные для тлеющего
разряда данные (10-4…10-2 А/см2). По-видимому, это
связано с влиянием магнитного поля.
Зависимости напряжения U и тока I в разряде, а
также вводимой в разряд мощности W и температу-
ры подложки от давления рабочего газа приведены
на рис. 3 и 4. Видно, что с ростом давления разряд-
ный ток падает, а напряжение растет. При этом сум-
ма прикатодного и прианодного падения потенциала
меняется слабо, а основное изменение напряжения
происходит за счёт увеличения электрического поля
в положительном столбе. Источник питания позво-
лял регулировать ток в достаточно широком преде-
ле; результаты измерений приведены для значений
минимального и максимального токов (см. рис.3 и
4). Вводимая в разряд мощность имеет максимум
при определенном давлении, который не совпадает с
максимумом температуры на подложке. Это указы-
вает на существование дополнительного нагрева
подложки, не связанного с теплопроводностью газа.
Например, нагрев подложки может происходить в
результате ионной бомбардировки подложки, так
как подложка обычно заряжается отрицательно до
величины 30…40% от разрядного напряжения.
168
Рис.1. Схема экспериментальной установки:
1 - катод; 2 - анод; 3 - кольцевой магнит; 4
-подложкодержатиль; 5 - токовый канал
В оптических спектрах разряда не наблюдаются
спектральные линии металлов. Это свидетельствует
об отсутствии заметного распыления катода, изго-
товленного из молибдена, анода, изготовленного из
меди или нержавеющей стали, а также подложко-
держателя, изготовленного из молибдена. Отсут-
ствие металлических примесей в разряде оказывает
положительное влияние на качество синтезируемой
плёнки.
В процессе экспериментов показано, что ско-
рость роста алмазного покрытия в максимуме дости-
гает 3 мкм/ч и существенно зависит от температуры
подложки и концентрации метана. Оптимальная
температура подожки составляет 980…1010ºС; с ро-
стом концентрации метана скорость роста покрытия
возрастает. Однако наилучшее качество покрытия
наблюдается при концентрации метана в водороде
около 1%, при этом сохраняется достаточно высокая
скорость роста алмазного покрытия.
Структура поверхности массивной алмазной
пленки показана на рис. 5. Наряду с наблюдающи-
мися алмазными пирамидами можно увидеть
большое число мелких дефектов в виде ступенек и
т. п. Средний размер алмазных зерен на поверхно-
сти сплошной алмазной пленки составляет ~15 мкм.
При синтезе алмазного покрытия на подложках
из молибдена и вольфрама между покрытием и
подложкой образуется карбидный слой из Мо2С или
W2С толщиной до 8 мкм для молибденовой подлож-
ки и более 4 мкм для вольфрамовой подложки. Кар-
бидный слой отчетливо виден при исследовании
торцевого шлифа на электронном микроско-
пе (рис. 6). Как видно из рисунка, при толщине ал-
мазного покрытия на молибденовой подложке
40 мкм толщина карбидного слоя около 8 мкм. На
алмазном покрытии видны царапины, возникшие
при полировке шлифа. Отслаивание покрытия при
этом не наблюдается, что свидетельствует о хоро-
шей адгезии покрытия к материалу подложки.
169
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика
тлеющего разряда в водороде. 1 - Р=50 Торр; 2
- Р=60 Торр; 3 - Р=80 Торр; 4 - Р=100 Торр; 5 -
Р=120 Торр
700
800
900
1000
1100
4 5 6 7 8
Ток, А
Н
ап
ря
же
ни
е,
В
1
2
3
4
5
Рентгеноструктурный анализ показал, что размер
решетки алмазной структуры покрытия близок к та-
бличному значению. Алмазное покрытие находится
под действием сжимающего напряжения величиной
около 1,5 ГПа, а карбидный слой – растягивающего
напряжения. Механические напряжения, по-видимо-
му, возникают при охлаждении образца от темпера-
туры синтеза (около 1000°С) до комнатной темпера-
туры и связаны с различием в коэффициентах ли-
нейного расширения подложки и алмазного покры-
тия. Величина напряжения слабо зависит от толщи-
ны покрытия, что позволяет надеяться получать ал-
мазные пластины толщиной более 1 мм.
Проводились исследования по осаждению ал-
мазных покрытий на затравочных кристаллах синте-
тического и природного алмаза размером 150…
250 мкм. Средняя скорость роста кристаллов алмаза
170
Рис. 3. Зависимость величины минимального Imin
и максимального Imax значений разрядного тока
и соответствующих им напряжений между
катодом и анодом от давления в разрядной
камере
Рис. 4. Зависимость вводимой в разряд
мощности и температуры подложки от
давления рабочего газа. Кривые построены для
значений максимального и минимального тока
Рис.5. Структура поверхности алмазной пленки
(×1500)
Рис. 6. Поперечное сечение образца. Дважды
дифференцированный сигнал в отраженных
электронах (×2000)
составляла более 10 мкм/ч. Независимо от исходной
формы затравочного кристалла алмаза со временем
они приобретали равновесную октаэдрическую фор-
му. При этом размер кристалла алмаза мог достигать
1 мм и более.
Из иностранных источников известно, что произ-
водительность установок для синтеза алмазных по-
крытий увеличивается с ростом вводимой в разряд
мощности в степени 1,5 для любых методов актива-
ции рабочего газа [6]. На рис. 7 приведена зависи-
мость, позаимствованная из работы [6], на которой
приведены результаты для лучших зарубежных
установок за период с 1988 по 1998 г. Результаты
исследований установки с тлеющим разрядом, ста-
билизированным магнитным полем, разработанной
в ННЦ ХФТИ, также приведены на этом рисунке.
Видно, что по своим параметрам данная установка
находится в одном ряду с лучшими мировыми до-
стижениями. Анализ приведенной зависимости поз-
воляет сделать вывод, что с ростом единичной мощ-
ности установки повышается эффективность ис-
пользования энергии на производство единицы мас-
сы алмазного покрытия. Кроме того, уменьшается
доля накладных расходов, заработной платы и стои-
мости основных фондов в себестоимости продук-
ции.
Современный уровень исследований позволяет
разработать и изготовить установки средней мощно-
сти, например, 20 кВт (диаметр подложкодержателя
около 15 см) и 50 кВт (диаметр подложкодержателя
свыше 20 см). Производительность таких установок
составит до 0.3 и 1 г/час алмазного покрытия соот-
ветственно. Как известно, наиболее освоенным в на-
стоящее время, для алмазных покрытий является
рынок режущего инструмента. По данным специа-
листов из США в 2000 г. объём мировых продаж ре-
жущего инструмента с алмазным покрытием соста-
вил 75 млн. долларов при цене от 2 до 5 долларов за
одну не перетачиваемую резцовую пластину. На
каждый резец напыляется до 10 мг алмазного по-
крытия. Прогнозируется 10% прирост мировых про-
даж инструментов с алмазным покрытием.
Ожидается что, при разумных сроках окупаемо-
сти вложенных средств, не более 3-х лет, себестои-
мость алмазных покрытий, расходуемых на покры-
тие одного резца, изготовленного на Украине на на-
ших установках, составит 0,8 доллара для установки
мощностью 20 кВт и 0.4 доллара для установки
мощностью 50 кВт. Производственный участок, со-
стоящий из 10 установок мощностью 50 кВт, при
выходе на проектную мощность позволит удовле-
творить до 15% мировой потребности в режущем
инструменте с алмазным покрытием.
Очевидно, что с началом производства режущего
инструмента с алмазным покрытием в странах СНГ
следует ожидать появление потребностей использо-
вания алмазных покрытий и для других рынков.
Широкие исследования в этом направлении уже ве-
дутся у нас и за рубежом. В частности, ожидается
большой спрос на свободные алмазные пластины
для нужд упрочнения инструмента в горнодобываю-
щей промышленности и в электронике.
Таким образом, разработанная в ННЦ ХФТИ
установка для химического осаждения алмазных по-
крытий из газовой фазы позволяет уже в ближайшее
время организовать промышленное производство
алмазных покрытий для нужд различных областей
науки и техники. Крайне важно, что планируемая
себестоимость продукции оказывается существенно
ниже мировых цен, что делает ее конкурентоспособ-
ной на мировом рынке.
171
0,1
1
10
100
1000
10000
0,1 1 10 100 1000
Вводимая мощность, кВт
Пр
ив
ес
п
ле
нк
и,
м
г/ч
ас
1
2
3
4
5
6
7
8
Рис. 7. Привес алмазной пленки от вводимой в
разряд мощности: 1 - установки ХФТИ; 2 -
плазмотрон; 3 - СВЧ-система; 4 - горячая нить;
5 - горячая нить; 6 - плазменная установка; 7 -
СВЧ-система; 8 - плазмотрон
ВЫВОДЫ
В ННЦ ХФТИ разработан метод активации газо-
вой среды для синтеза алмазных покрытий и выра-
щивания отдельных кристаллов алмаза с помощью
тлеющего разряда, стабилизированного магнитным
полем.
Этот метод обладает несомненными преимуще-
ствами по сравнению с другими методами, исполь-
зуемыми при химическом осаждении алмаза из газо-
вой фазы. Основными его достоинствами является:
возможность нанесения алмазного покрытия на
большие поверхности (более 200 см2), высокая
удельная мощность (свыше 150 Вт/см3) и малый
уровень посторонних примесей, связанных с распы-
лением материала катода.
Получена достаточно высокая скорость роста ал-
мазного покрытия – 3 мкм/ч (20 мг/ч), которая соот-
ветствует лучшим мировым данным для установок с
уровнем вводимой мощности в разряд около 5 кВт.
Получены алмазные покрытия толщиной более
40 мкм с хорошей адгезией к материалу подложки.
Возникающие напряжения не превышают 1,5 ГПа и
слабо зависят от толщины покрытия. Это позволяет
надеяться получать алмазные покрытия и свободные
алмазные пластины толщиной более 1 мм.
На основании проведенных исследований в ННЦ
ХФТИ проектируются опытно–промышленные
установки для синтеза поликристаллических ал-
мазных покрытий и роста отдельных кристаллов
мощностью 20 и 50 кВт.
ЛИТЕРАТУРА
1. V.K. Pashnev, O.A. Opalev, V.A. Belous,
V.E. Strelnitskij. Some features of direct current
glow discharge in a transversal magnetic field for
diamond films deposition.// Proceedings of 4th In-
ternational Symposium on Diamond Films and Re-
lated Materials, Kharkov, Ukraine, September 20-
22, 1999, p. 18-22.
2. О.А. Опалев, В.К. Пашнев, И.К. Ковальчук,
В.Е. Стрельницкий, В.А. Белоус, З.И.Колупаева.
Синтез алмазных покрытий в тлеющем разряде,
стабилизированном магнитным полем // ВАНТ.
Серия «Физика радиационных повреждений и ра-
диационное материаловедение» (78). 2000, №4,
с. 158-164.
3. В.К. Пашнев, О.А. Опалев, И.И. Выровец,
И.К.Ковальчук, В.Е. Стрельницкий, В.А.Белоус.
Тлеющий разряд для нанесения алмазных по-
крытий на большие поверхности // Сборник
докладов 12-го Международного симпозиума
«Тонкие пленки в электронике. Алмазные пленки
и пленки родственных материалов», 23-27 апре-
ля 2001, Харьков, Украина, с. 61-64.
4. В.К. Пашнев, О.А. Опалев, И.И. Выровец,
В.И. Грицына, В.Е. Стрельницкий, В.А. Белоус,
В.Г. Коновалов, А.Н. Шаповал, Ю.Ф. Шмалько,
А.И. Ивановский. Спектральные исследования
тлеющего разряда, стабилизированного магнит-
ным полем // Сборник докладов 12-го Междуна-
родного симпозиума «Тонкие пленки в электро-
нике. Алмазные пленки и пленки родственных
материалов», 23-27 апреля 2001, Харьков,
Украина, с. 87-90.
5. В.К. Пашнев, В.Е. Стрельницкий, О.А. Опалев,
В.В. Брык, К.А. Малява, А.А. Пархоменко,
И.М. Неклюдов, З.И. Колупаева. Структурные
характеристики алмазных покрытий, получен-
ных в тлеющем разряде, стабилизированном
магнитным полем // Сборник докладов 12-го
Международного симпозиума «Тонкие пленки в
электронике. Алмазные пленки и пленки
родственных материалов», 23-27 апреля 2001,
Харьков, Украина, с. 56-60.
6. J.E. Butler, H. Windisсhmann. Developments in
CVD Diamond Synthesis During the Past Decade //
MRS Bulletin, September. 1998, p. 22.
ВИКОРИСТАННЯ ТЛІЮЧОГО
РОЗРЯДУ, СТАБІЛІЗОВАНОГО
МАГНІТНИМ ПОЛЕМ, ДЛЯ СИНТЕЗУ
АЛМАЗНИХ ПОКРИТЬ
В.К.Пашнєв, В.Є.Стрельницький, О.А.Опалєв,
В.І.Грицина, І.І.Вировець, Ю.А.Бізюков,
В.О.Столбовий
В ННЦ ХФТІ (м. Харків) розроблений метод
активації робочого газу за допомогою тліючого
розряду, стабілізованого магнітним полем, для
синтезу алмаза з газової фази. Цей метод має низку
переваг у порівнянні з іншими існуючими
методами: СВЧ-методом, різними типами дугових
розрядів і методом "гарячої нитки". Тліючий розряд,
стабілізований магнітним полем, дозволяє наносити
покриття на великі поверхні (до 50 см діаметром),
одержувати досить високу швидкість росту
алмазних покрить і має низький рівень домішок.
Представлені результати досліджень, проведених на
установці з рівнем потужності, що вводиться в
розряд, близько 5 кВт і діаметром підкладки 5 см.
Швидкість росту алмазного покриття досягала
3 мкм/год.
USING OF THE GLOW DISCHARGE
STABILIZED BY A MAGNETIC FIELD
FOR THE DIAMOND COATING
SYNTHESIS
V.K.Pashnev, V.E.Strelnitskij, О.А.Opalev, V.I.Gritsy-
na, І.І.Vyrovets, Yu.A.Bizyukov, V.A.Stolbovoy
In NSC KIPT (Kharkov) the method of working gas
activation with the help of the glow discharge stabilized
by a magnetic field for the synthesis of diamond from a
172
gas phase is developed. This method has a number of
advantages in comparison with other existing methods:
microwave method, different types of arc discharges
and method of "hot filament". The glow discharge
stabilized by a magnetic field allows to deposit coatings
on large surfaces (up to 50 cm in diameter), to obtain
sufficiently high growth rate of diamond coatings and
has low level of impurities. In the given article the
outcomes of researches performed on the setup with a
power entered in discharge about 5 kW and
substrateholder diameter 5 cm are presented. The
growth rate of diamond coating reached 3 µm/h.
173
УДК 537.525:539.23:679.826
ВВЕДЕНИЕ
Основные результаты
V.K.Pashnev, V.E.Strelnitskij, О.А.Opalev, V.I.Gritsyna, І.І.Vyrovets, Yu.A.Bizyukov, V.A.Stolbovoy
|