Очистка поверхности подложек для нанесения покрытий вакуумно-плазменными методами

А. Г. Лучкин, Г. С. Лучкин

ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖЕК ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫМИ МЕТОДАМИ

Ключевые слова: очистка поверхности, вакуумно-плазменные покрытия.

В работе представлены методы очистки поверхности подложек перед нанесением покрытий вакуумноплазменными способами. Рассмотрены механический и химический способы очистки, термообработка и обработка тлеющим разрядом.

Keywords: surface cleaning, vacuum-plasma coatings.

In the article substrate surface cleaning methods before vacuum-plasma coating are presented. Mechanical, chemical cleaning, thermo processing and cleaning by glow discharge are discovered.

Введение

Современные технологии часто используют вакуумно-плазменные технологии для нанесения тонких функциональных покрытий на различные материалы (металлы, стекло, полимеры и др.). Свойства таких покрытий зависят как от параметров нанесения, так и от состояния поверхности подложки.

Состояние поверхности подложки в свою очередь зависит от условий ее предварительной обработки. Для повышения качества наносимых покрытий необходимо удалить имеющуюся на подложке пленку загрязнений, т.е. очистить поверхность. Вид очистки зависит от материала подложки, количества и состава поверхностных загрязнений. В соответствии с последовательностью и характером проведения очистки различают: грубую и тонкую механическую очистку; грубую и тонкую химическую очистку; термообработку на воздухе и в вакууме; тонкую очистку и активацию поверхности в вакууме с помощью различных физических воздействий.

Механическая очистка

Механическая очистка заключается в удалении механических загрязнений: остатков

окалины и ржавчины, крупных скоплений смазочного материала. Она состоит в обработке поверхности металлическими щетками, наждачной бумагой и протирании ветошью. Данную очистку в основном применяют при обработке поверхности металлических элементов вакуумной камеры, внутрикамерных устройств и приспособлений [1,2].

Химическая очистка

Грубая химическая очистка состоит в удалении с поверхности видимых слоев органических загрязнений: остатков масел, смазочных материалов, красителей, отпечатков пальцев и жировых пятен.

Для удаления продуктов очистки с поверхности обрабатываемых деталей и обеспечения качественного состояния поверхности после грубой химической очистки рекомендуется применять мягкие ткани типа бязи и др.

Тонкую химическую очистку в растворах неорганических кислот и щелочах, а также в парах органических растворителей применяют для обеспечения качественной подготовки поверхности

перед нанесением покрытия. Для интенсификации процесса очистки используют ультразвуковые ванны; процесс очистки ведут, как правило, при повышенной температуре раствора [1,2].

Таблица 1 - Характеристики некоторых

химических растворителей применяемых для химической очистки поверхности

Ультразвуковая очистка

При ультразвуковой очистке крупные жировые загрязнения удаляются вследствие интенсивного локального перемешивания под действием, создаваемых в растворителе ударных волн. Растворитель, насыщенный примесями непрерывно удаляется с поверхности подложки; его заменяет растворитель. Механические колебания, создаваемые в подложке, способствуют удалению макро загрязнений, чешуек металлов, пыли и др.

Растворитель Назначение

Бензин с низким октановым числом Удаление грубых жировых загрязнений и первичная очистка вакуумной камеры и внутрикамерных устройств после механической обработки

Бензин с высоким октановым числом Повторная очистка поверхности после обработки бензином низкого качества

Изопропиловый спирт Удаление эфирных масел

Этиловый спирт (этанол) Растворение лакокрасочных материалов

Ацетон Растворение перхлорвиниловых и полиакриловых лаков, ацетатов целлюлозы и др.

Тетрахлорэтилен Обезжиривание поверхности металлов

Тетрахлорид углерода Очистка поверхности металлов и некоторых полимеров, например полистирола

Трихлорэтилен Обезжиривание поверхности металлов, удаление масел, жиров, воска

Эффективность ультразвуковой очистки в основном определяется частотой колебаний; кроме того, влияют мощность излучения и температура растворителя. Поскольку ультразвуковая очистка позволяет удалять только крупные загрязнения, рекомендуется ее завершать обезжириванием в парах органических растворителей. Для удаления остатков органических растворителей используют промывку в деионированной воде.

После промывки в деионированной воде подложку следует извлекать таким образом, чтобы на поверхности оставалось минимальное количество жидкости. Остающиеся на поверхности капли воды при высыхании образуют видимые пятна, изменяющие свойства формируемого покрытия; поэтому капли воды после промывки следует сдувать струей воздуха или удалять центрифугированием.

Сушка проводится в паровом очистителе или в чистой печи горячим отфильтрованным воздухом или азотом. Очистку поверхности подложки необходимо проводить непосредственно перед помещением в вакуумную камеру, так как именно свежеочищенные поверхности обеспечивают лучшее качество осаждаемой пленки.

Обычно после химической очистки, промывки в дистиллированной воде и сушки подложка поступает в камеру металлизации (вакуумную камеру). При этом возможно повторное загрязнение поверхности вследствие адсорбции молекул различных веществ из окружающего воздуха. Недостатком химической подготовки поверхности является также и то, что эта обработка в принципе не обеспечивает удаление физически адсорбированной влаги, тем более хемосорбированной. Физическая адсорбированная влага выделяется в процессе откачки только прогревом подложек в вакууме при высокой температуре [1,2].

Термообработка и электрофизическая обработка

Термообработка и электрофизическая обработка применяются после помещения подложки в вакуумную камеру. Термообработка представляет собой процесс нагрева поверхности подложки до температуры, при которой не происходит деструкции подложки, выдержку при этой температуре, затем охлаждение до температуры конденсации распыленных частиц. В процессе нагрева и выдержки происходит обезгаживание поверхности. Однако не все материалы можно подвергать термообработке из-за их ограниченной термической устойчивости, например полимеры, полупроводниковые структуры,

нетермостойкие композиции, а также изделия сложной геометрической формы. Термообработка может

ухудшить свойства поверхности этих материалов [3].

Для обработки поверхности подложки перед осаждением покрытия применяют электрофизические методы. Например, очистка поверхности излучением импульсных ламп в высоком вакууме и очистка поверхности в тлеющем разряде на этапе откачки системы механическим насосом. При очистке

полимерных материалов излучением импульсных ламп типа ИФП происходит отрыв адсорбированных

молекул с поверхности подложки. При этом не происходит заметного разогрева поверхности

подложек, и адгезия пленок металлов существенно возрастает. Достигается сочетание

высокотемпературного нагрева поверхности с низкой температурой в объеме подложки. Реализуется термообработка только

приповерхностной области.

При нагреве в вакууме происходят интенсивное обезгаживание поверхности и перевод остаточных жировых загрязнений в летучие продукты с последующей откачкой их из вакуумной камеры. Однако, повышенное газовыделение может привести к нарушению режима работы откачных устройств вакуумной системы.

Термообработка поверхности подложки в вакууме позволяет удалить с ее поверхности практически все летучие продукты, остающиеся после механической и химической обработки. Этот вид подготовки поверхности - наиболее продолжительный процесс из всех прочих видов, однако, в ряде случаев является единственным возможным способом получения качественных покрытий и обеспечения стабильного процесса нанесения покрытий [1,2].

Тлеющий разряд

Тлеющий разряд наиболее эффективно используется для очистки диэлектриков в режиме кратковременного (3 - 7 с) воздействия. Плотность тока составляет 2,0 - 4,0 А/м2. Такой режим позволяет удалить хемосорбированную воду и тонкие поверхностные загрязнения без разогрева глубинных слоев подложки. Особенно эффективна плазменная очистка для оксидных подложек при нанесении на их поверхность металлов с высокой удельной энергией образования оксида. Примерами очистки металлической поверхности ионами инертного газа могут служить работа [4] и патент [5].

Очистка в плазме тлеющего разряда после грубой химической очистки подложек позволяет получить адгезию покрытий сравнимую с когезионной прочностью подложек. При этом отпадает необходимость в предварительном нагреве подложек. Эффект очистки можно объяснить созданием на поверхности оксидных подложек активных центров адсорбции и адгезии, а так же инициированием химического взаимодействия между материалом пленки и оксидом подложки.

Таким образом, плазменная обработка поверхности подложек перед нанесением покрытий в вакууме ведет не только к удалению поверхностных загрязнений, но и к модификации свойств поверхности в направлении повышения ее адсорбционной и адгезионной активности, т.е. к созданию на поверхности подложки активных центров адсорбции и адгезии распыленных частиц, а также к упрочнению поверхности. При очистке поверхности в тлеющем разряде ее активность по отношению к парам металла может сохраняться и после разгерметизации камеры; перед металлизацией такие подложки можно хранить на воздухе некоторое время. При повторной откачке камеры и напылении без очистки адгезия полученных покрытий достаточно высока. Это

важное технологическое преимущество, так как позволяет проводить подготовку поверхности крупногабаритных подложек в отдельной камере с последующим транспортированием их к установке для нанесения покрытия.

Дополнительно можно использовать источники ионов газа с энергиями от 0,5 до 5,0 кэВ. В качестве рабочего газа обычно выступает аргон [1], но для очистки поверхности пластиковых (ПММА, ПК и др.) подложек может использоваться и азот [6].

Наиболее эффективным способом подготовки поверхности стеклянной подложки к напылению в вакуумной камере является способ, сочетающий механическую тонкую очистку, обезжиривание, нагрев в вакууме и обработку тлеющим разрядом [7,8]. Механическая тонкая очистка и обезжиривание проводится при помощи раствора состоящего из 6-и частей деионированной воды, 2-х частей зубного порошка, и 2-х частей раствора нашатырного спирта. В подготовленном растворе смачивается фрагмент нетканого материала (метаполам) размером 100х100 мм, которым круговыми движениями протирается вся поверхность стеклянной подложки. Подложка обрабатывается с обеих сторон для удаления загрязнений. После этого поверхность стеклянной подложки промывается деионированной водой. Сушка поверхности проводится струей воздуха.

Затем подложка помещается в вакуумную камеру, в которой создается давление Рост=6,6^10 -3 Па. Подложка нагревается до температуры 300-350°С и выдерживается при этой температуре в течение 30 мин. Данный способ подготовки поверхности стеклянной подложки использовался для нанесения на установке УВН-70А-2 низкоэмиссионного покрытия и высокоотражающего зеркала с обогревом [9,10]. Заключение

Способы подготовки подложек перед нанесением покрытий должны учитывать как свойства материала подложки (теплостойкость), так и параметры нанесения покрытия, такие как пониженное давление, мощность разряда, материал распыляемой мишени. Правильная подготовка поверхности является залогом получения качественных покрытий.

Литература

1. Кострижицкий, А.И. Справочник оператора установок по нанесению покрытий в вакууме / А.И. Кострижицкий,

В.Ф. Карпов, М.П. Кабаниченко и др. - М.:

Машиностроение, 1991. - 176с.

2. Технология тонких пленок (справочник) Под. ред. Л.Майссела, Р. Гленга. Нью-Йорк. 1970. Пер. с англ. Под. ред. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко. Т. 1. М., "Сов. радио", 1977, 664 с.

3. Оура К. Введение в физику поверхности / К. Оура,

В.Г. Лифшиц, А.А. Саранин, А.В. Зотов, М. Катаяма : [отв. ред. В.И. Сергиенко] : Ин-т автоматики и процессов упр. ДВО РАН. - М. : Наука, 2006. - 490 с. -ISBN 5-02-034355-2 (в пер.).

4. Абдуллин И.Ш. Использование высокочастотной плазмы пониженного давления для получения изотропных свойств металла / И.Ш. Абдуллин, А.А. Хубатхузин. // Казань, Вестник КГТУ, № 11, 2010г. - С 625-627.

5. Пат. 2451770 Российская Федерация, МПК C23 C 14/34, C 23 C 14/02 C 23 C 14/58. Способ вакуумного ионно-плазменного нанесения покрытий / Семенов В.Н. и др.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение Энергомаш имени академика В.П. Глушко". - № 2010120199/02; заявл. 21.05.2010; опубл. 27.05.2012. Бюл. № 15. - 6 с.

6. Peter Munzert, Ulrike Schulz and Norbert Kaiser, "PVD

coating for optical applications on temperature-resistant thermoplastics", Proc. SPIE 5250, 322 (2004);

http://dx.doi.org/10.1117/12.511798

7. Галяутдинов Р.Т. Аномальный тлеющий разряд в вакууме в процессе изготовления высокоотражающих стоматологических зеркал / Р.Т. Галяутдинов, М.В. Елхин, Н.Ф. Кашапов // Казань, Вестник КГТУ, № 2, 2010г. - С 335-339.

8. Luchkin G.S., Galyautdinov R.T. and N.F. Kashapov “Formation of protective coatings for aluminium mirrors by magnetron sputtering” Welding International, 2003, 17, (8) 655 - 658.

9. Пат. 2339591 Российская Федерация, МПК C 03 C

17/34. Низкоэмиссионное покрытие / Галяутдинов А.Р., Галяутдинов Р.Т., Кашапов Н.Ф.; заявитель и патентообладатель ООО Научно -производственное предприятие "РЕЗТЕХКОМПЛЕКТ". - №

2006128640/03; заявл. 25.07.2006; опубл. 27.11.2008. Бюл. № 33. - 4 с.

10. Пат. 2316155 Российская Федерация, МПК H05B 3/84. Высокоотражающее зеркало с обогревом / Галяутдинов А.Р., Галяутдинов Р.Т., Кашапов Н.Ф.; заявитель и патентообладатель ООО Научно -производственное предприятие "РЕЗТЕХКОМПЛЕКТ". - № 2006120497/09; заявл. 13.06.2006; опубл. 27.01.2008. Бюл. № 3. - 5 с.

© А. Г. Лучкин - инж. каф. технологического оборудования медицинской и легкой промышленности КНИУ, luchkin_a.g@mail.ru; Г. С. Лучкин - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, gluchkin@mail.ru.