Ионноплазменный метод повышения износостойкости инструмента и деталей машин

     В то же время метод ионно-лучевого распыления по сравнению с магнетронным имеет ряд преимуществ:

     - низкое рабочее давление (10^-3- 10^-2Па);

     - отсутствие электрического и  магнитного полей в области  подложки;

     - точный перенос стехиометрического  состава материала мишени;

     - возможность управления энергией  ионов, бомбардирующих мишень;

     - возможность существенного повышения  скорости распыления мишени за счет бомбардировки ионами под углом к ее поверхности, что невозможно при магнетронном распылении.

     Дополнительными преимуществами технологии ионно-лучевого распыления являются возможность проведения реактивных и нереактивных процессов  в одной камере без переналадки (например, из мишени Si можно получать покрытия Si, SiO₂, Si₃N₄), возможность нанесения покрытий на термочувствительные подложки (пластики и т. д.) (так как процесс нанесения характеризуется низкими температурами до 90⁰С). Кроме того возможен перенос нанокомпозитных материалов мишени на подложку без изменения их свойств.

     Эти преимущества ионно-лучевого распыления особенно важны в связи с переходом  от микроструктур к наноструктурам, для формирования которых требуются  однослойные или многослойные диэлектрические  пленки существенно меньшей толщины, высокого качества и различного состава.

     В большинстве случаев ионно-лучевое  распыление проводится при энергии  ионов 100-1000 эВ, что обеспечивает поддержание низкой температуры подложки и ограничивает ее радиационное повреждение. При энергии свыше 1000 кэВ ионы проникают так глубоко, что лишь небольшое количество поверхностных атомов распыляется, коэффициент распыления уменьшается. Распыление, таким образом, является процессом, в котором увеличение энергии ионов неэффективно. Коэффициент распыления материала зависит от типа бомбардирующих его ионов. Атомная масса падающего иона является одним из факторов, определяющих величину импульса, которая может быть передана атомам подложки. Инертный газ аргон наиболее широко используется в ионно-лучевом распылении, поскольку обеспечивает высокий коэффициент распыления, дешев и легко доступен. Коэффициент распыления зависит не только от природы бомбардирующих ионов, но и от природы материала мишени, причем определяется положением распыляемого элемента в периодической системе и обратно пропорционален теплоте сублимации. Часто используемые в микроэлектронике материалы׃ палладий, платина, золото – имеют сравнительно высокий коэффициент распыления, тогда как углерод, титан и тантал – низкий.

     Есть  установки ионно-лучевого распыления содержащие два ионных источника: источник ионов с холодным полым катодом  на основе самостоятельного двухкаскадного разряда низкого давления для  распыления мишеней и источник ионов  Кауфмана холловского типа с открытым торцом для создания ассистирующего потока низкоэнергетических ионов.

     Ионно-лучевое  распыление является методом анизотропного  распыления с очень высоким разрешением, который обеспечивает хорошее качество покрытий, воспроизводимость и вносит минимальное загрязнение. 

 

     

5. ИОННО-ЛУЧЕВОЕ  ОСАЖДЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК

 

     5.1 Осаждение тонких  пленок из ионных  пучков 

     Отличительные особенности осаждения пленок из ионных пучков состоят в следующем:

     – ускорение ионов до требуемой  энергии и формирование пучка  осуществляются в ионно-оптической системе источника ионов, при  этом энергия ионов определяется лишь ускоряющим напряжением источника;

     - пространственная направленность  при условии малой расходимости  ионного пучка позволяет проводить  нанесение пленок на структуры  сложного профиля;

     - доля ионной компоненты в потоке  осаждаемого вещества достигает  100%, что позволяет осуществлять  строго дозированный перенос  вещества к подложке посредством  контроля плотности тока ионов  пучка в процессе осаждения.

     Скорость  осаждения пленок из ионных пучков V_H существенно зависит от природы ионов, состава конденсируемой пленки, энергии ионов и плотности ионного тока. Без учета распыления пленки под действием ионной бомбардировки и отражения ионов величина V_H может быть выражена соотношением:

     где m_i – масса иона;

     J – плотность ионного тока;

     е – заряд электрона;

     n – кратность заряда иона;

     ρ – плотность пленки.

     Для получения пленок чистых металлов используют, например, осаждение из сепарированных по массе пучков ионов.

     Процесс осаждения пленок чистых металлов осуществляется следующим образом: в источнике  происходит ионизация атомов металла, затем ионы ускоряются до энергий 10–100 кэВ, необходимых для эффективной  их сепарации в магнитном поле, а потом замедляются перед  конденсацией на подложках. Исследования осаждения таким способом пленок серебра, цинка и свинца показали, что пленки имеют высокую адгезию, которая практически не зависит  от энергии осаждаемых ионов. В то же время скорость осаждения и  структура пленок зависят от энергии  ионов. Оптимальной для осаждения  является энергия ~ 50 эВ. При энергии  ионов > 200 эВ осаждения металла  практически не происходит, так как  распыление преобладает над осаждением.

     Осаждением  из пучка ионов возможно нанесение  тонких алмазоподобных углеродных пленок. Алмазоподобными называют углеродные пленки, макроскопические свойства которых (показатель преломления, оптическая прозрачность, твердость, электрическое сопротивление, химическая стойкость) сходны с перечисленными свойствами алмаза. Однако микроскопические свойства этих пленок существенно отличаются от свойств алмаза. В зависимости  от методов получения такие пленки имеют поликристаллическую или  аморфную структуру и гетерофазный состав. Соотношение между фазами, от которого зависят свойства пленок, задается условиями осаждения.

     Пленки, осажденные из пучков одноатомных ионов  углерода в условиях высокого вакуума, имеют микрокристаллическую структуру  с преимущественным содержанием  алмазной фазы, тогда как присутствие  в потоке нейтральных атомов (либо кластеров) углерода способствует графитизации пленок. Сильное влияние на структуру  и свойства углеродных пленок оказывает  энергия осаждаемых частиц. Считают, что для формирования алмазной фазы эта энергия должна превышать  энергию связи атомов углерода в  решетке алмаза (14,6 эВ), хотя наиболее близкие по свойствам к алмазу углеродные пленки были получены при  осаждении ионов углерода с энергией всего 8 эВ. В то же время энергия осаждаемых частиц должна быть меньше порога дефектообразования (60 эВ), так как увеличение энергии ведет к повышению плотности дефектов и смещению фазового равновесия в сторону графита. 

     5.2 Реактивный ионно-лучевой  синтез тонких  пленок 

     Реактивный  ионно-лучевой синтез это метод  нанесения пленок из пучков молекулярных ионов химически сложных веществ.

     Например, алмазоподобные углеродные пленки осаждают из пучков ионов углеводородов (циклогексан) или других органических соединений (ацетон, пропанол). При конденсации  углеводородных ионов часть их кинетической энергии расходуется на разрыв С–С  и С–Н связей в исходном материале. Поскольку энергия связей по порядку  величины меньше кинетической энергии  ионов, то очевидно, что при ударе  о поверхность в молекулярном ионе происходит полный разрыв связей с последующим торможением атомов в поверхностных слоях. Осаждение  из пучка молекулярных углеводородных ионов приводит к образованию  аморфных пленок, дополнительным компонентом  состава которых является водород. Эти пленки являются алмазоподобными, причем доля тетрагональных связей атомов углерода составляет до 70 ат.%. Скорость осаждения алмазоподобных пленок из пучков ионов циклогексана практически  линейно зависит от плотности  тока пучка, что позволяет с высокой  точностью контролировать процесс  нанесения покрытия и общее количество осаждаемого вещества.

     Кремнийсодержащие углеродные покрытия были получены из пучков ионов кремнийорганических  соединений: гексаметилдисилазана [(CH3)3Si – ]2NH и винилтриметоксисилана CH2=CHSi(OCH3)3. Тонкие пленки, полученные осаждением из пучков ионов этих соединений являются многокомпонентными покрытиями, основу которых составляет Si – C матрица. В  зависимости от типа применяемого кремнийорганического соединения образуются оксикарбид кремния SiCO или карбонитрид кремния SiCN. Кремнийсодержащие углеродные пленки можно использовать в качестве просветляющего покрытия для элементов солнечной батареи, поскольку оптические параметры этих пленок удовлетворяют требованиям к таким покрытиям. 

 

     

6. ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ

     ионный  плазменный катодный пленка

     Ионно-плазменное напыление в вакууме – это  наиболее распространенный процесс  упрочнения режущего инструмента и  технологической оснастки. Данный метод  позволяет наносить тонкопленочные упрочняющие покрытия (1-10 мкм) на основе карбидов, нитридов, карбонитридов, окислов, обладающих высокой твердостью, теплостойкостью, износостойкостью. При этом данные покрытия позволяют снизить силу трения при резании сталей на 20-30%, уменьшить коэффициент усадки стружки  и усилия резания на 15-20%, снизить  температуру при резании и  значительно от 2 до 6 раз повысить стойкость инструмента с одновременным  увеличением производительности.

     При ионно-плазменном напылении с использованием процесса конденсации с ионной бомбардировкой (КИБ), основанном на генерации вещества катодным пятном вакуумной дуги с  одновременной подачей в вакуумное  пространство реактивных газов (азота, ацетилена, метана и др.), процесс  формирования покрытия протекает в  две стадии. На первом этапе к  инструменту прикладывается напряжение порядка 1,0-1,5 кВ при давлении в вакуумной  камере порядка 10^-3 Па (10^-5 мм рт. ст.). В результате ионной бомбардировки происходит очистка, активация и разогрев поверхности инструмента. Оптимальная температура изделий при напылении с точки зрения высоких адгезионных свойств покрытия составляет . На втором этапе в камеру поступает реактивный газ, напряжение на инструменте снижается до 100-200 В и происходит собственно процесс осаждения покрытия за счет прохождения плазмохимических реакций.

     Толщина покрытий, наносимых методом ионно-плазменного  напыления, зависит от расположения инструмента относительно испарителя в вакуумной камере. На торцевой и боковой поверхностях она может  отличаться до пяти раз (это же относится  и к задним, закрытым поверхностям). Толщина покрытия также зависит от разной толщины изделия и условий его крепления к оснастке, что связано с разной температурой нагрева различных зон в процессе ионно-плазменного напыления. При этом толщина покрытия может отличаться на одном и том же изделии на 50%. Установлено, что колебания толщины ионно-плазменных покрытий нанесенных на одном и том же режиме от 0,5 мкм до 2,0 мкм может изменять эксплуатационную стойкость инструмента до 70%. Такой разброс стойкости инструмента с разной толщиной покрытия обусловлен колебаниями структуры и фазового состава покрытия, что связывается с поглощением кислорода в процессе осаждения и образования . Этому может также активно способствовать и взаимодействие материала покрытия с кислородом при выгрузке из камеры неохлажденного инструмента, а также процентное содержание микрокапельной фазы, представляющей собой легко окисляемый. С целью обеспечения равномерности толщины покрытия инструмент в вакуумной камере располагается так, чтобы покрываемые поверхности находились перпендикулярно к испарителю. В одной загрузке при напылении инструмент должен быть однотипным как по конструкции, так и по материалу. При обработке изделий типа тел вращения, а также имеющих сложную конфигурацию, применяются приспособления и устройства, обеспечивающие вращение или колебательное движение. С целью уменьшения окисляемости покрытия требуется увеличение времени остывания инструмента (до 100-200) в вакуумной камере.

     Микротвердость  покрытия измеренная при нагрузке 0,196 Н стабилизируется при толщине  покрытия ≥ 5 мкм, составляя 21-24 ГПа. На сталях с низкой температурой отпуска может наблюдаться разупрочнение основы при неоптимальной температуре ионной очистки и подогрева.

     При изучении влияния температуры изделия  на формирование покрытия было замечено, что при температурах изделия  ≥ 400 на поверхности образцов происходит гетерогенная реакция образования текстурированного покрытия, активированная ионной бомбардировкой, а при температурах ≤ 250 – конденсат состоит из двух слоев нижнего толщиной 1 мкм и верхнего нетекстурированного пористого слоя в виде порошка, который легко удаляется с поверхности. Это связывается с изменением условий протекания плазмохимических реакций, что приводит к образованию не в результате гетерогенной реакции на поверхности, а в газовой среде, и последующему осаждению его на поверхности образца.

     При ионно-плазменном напылении шероховатость  торцевой поверхности по параметру Ra имеет большую величину, чем  шероховатость боковых поверхностей. Это связано с наличием увеличенного количества микрокапельной фазы на торцевой поверхности. Изменение шероховатости  покрытия от исходной шероховатости  при исходных значениях Ra ≤ 0,32 мкм  шероховатость увеличивается от 2 до 6 раз, а при Ra ≥0,32 мкм шероховатость  покрытия изменяется незначительно.

     Изменение исходной шероховатости, в основном, определяется длительностью процесса ионной очистки. На шероховатость покрытия наиболее сильно влияют исходная шероховатость  изделия, ток дуги, давление газа, материал катода и толщина покрытия. С увеличением  тока дуги шероховатость возрастает в результате увеличения микрокапельной фазы в покрытии. На шероховатость  покрытия практически не оказывает  влияние температура подложки и  ускоряющее напряжение в процессе осаждения  покрытия. При устранении микрокапельной фазы шероховатость покрытия определяется исходной шероховатостью подложки и  практически не зависит от режимов  напыления.

     Процесс КИБ реализуется на сложном и  дорогостоящем оборудовании. Инструмент перед загрузкой в вакуумную  камеру должен пройти тщательную предварительную  обработку (мойка, сушка, обезвоживание, подогрев). Приблизительно необходимая  площадь для данного оборудования составляет 80-100 м², требуется отдельная площадь для подготовки инструмента порядка 100-150 м². Для обслуживания оборудования необходим отдельный персонал – слесарь, оператор установок вакуумного напыления, вакуумщик, электрик, электронщик, рабочие для подготовки инструмента. Для несерийного специального инструмента, изготавливаемого или приобретаемого в небольших количествах метод КИБ имеет низкую производительность из-за длительности подготовительных и вспомогательных операций. Кроме того, для ионно-плазменного напыления существуют ограничения в номенклатуре упрочняемого инструмента (в зависимости от температуры отпуска используемого материала и связанными с габаритами вакуумной камеры). Несмотря на то, что метод КИБ относится к вакуумным технологиям, где должны отсутствовать экологические проблемы, для данного процесса необходимо использовать постоянную вытяжку, обеспечивающую отсутствие паров масла в рабочих помещениях и местную вытяжную вентиляцию, включаемую при открытии вакуумной камеры и выгрузке инструмента.