Вакуумные технологии нанесения функциональных покрытий

Н. Ф. Кашапов, Г. С. Лучкин, А. Г. Лучкин

ВАКУУМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ

ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ

Ключевые слова: вакуумные технологии, плазма, магнетрон, функциональные покрытия. vacuum technology, plasma, magnetron, functional coatings.

Вакуумно-плазменный стенд на базе вакуумной установки УВН-70-А2 применен для нанесения функциональных покрытий. Получены функциональные покрытия на пластиках и измерены их физико-механические свойства. Выявлено влияние параметров нанесения на характеристики покрытий.

Vacuum plasma stand based on vacuum machine УВН-70-А2 applied for deposition of functional coatings on plastic. Volume of working gas is measured. Functional coatings are deposited and their physical mechanical properties are measured. Influence of deposition parameters on coatings characteristics is explored

В настоящее время вакуумные технологии находят широкое применение в машиностроении и химической промышленности. Они используются при нанесении покрытий на поверхности металлов, полупроводников и диэлектриков с целью придания им требуемых эксплуатационных свойств [1]. Например, технология производства поверхностно упрочненных экранов для средств индивидуальной защиты (СИЗ) предназначенных для применения в химической и нефтедобывающей промышленности, а также в службе МЧС. Наиболее перспективными для процессов напыления являются разрабатываемые в последние годы плазменные методы нанесения покрытий [2].

Одним из наиболее распространенных плазменных методов нанесения покрытий является магнетронное распыление. Магнетронная распылительная система (МРС) позволяет осуществлять процесс испарения пленкообразующего материала с большой скоростью и с одновременной ионизацией и возбуждением распыленных атомов [3]. Наличие возможности управления параметрами разряда позволяет направленно влиять на свойства получаемых покрытий. Поэтому технологии с применением магнетронной распылительной системы, являются перспективными в процессах изготовления функциональных покрытий.

Работа направлена на решение актуальной проблемы - определение влияния параметров низкотемпературной плазмы аномального тлеющего разряда, горящего в вакууме, на физико-механические характеристики покрытий на пластиках.

На базе вакуумной установки УВН-70-А2 разработан и создан уникальный экспериментальный стенд по нанесению функциональных металлических и оксидных покрытий с помощью МРС. Этот стенд предназначен для нанесения металлических и оксидных тонкопленочных покрытий в вакууме на поверхность изделий из стекла и полимеров различной формы. В состав стенда входят вакуумная камера, откачная система, система нагрева подложек, система фотометрического контроля толщины наносимых покрытий, система ионной очистки поверхности подложек, многоканальная система сбора данных, которая позволяет не только фиксировать значения параметров разряда, но и управлять процессом напыления функциональных покрытий [4].

Вакуумная камера, изготовленная из стали 12Х18Н10Т, представляет собой горизонтально расположенный цилиндр с внутренним диаметром 700 мм и длиной 700 мм и объем вакуумной камеры составляет 0,27 м . Камера имеет фланец для присоединения паромасляного агрегата, а так же имеются две дверцы, на одной из которых закреплены два магнетрона, а на другой закреплено устройство вращения подложек и имеется окно для наблюдения за процессом напыления. Так же на камере предусмотрены фланцы для крепления манометрических преобразователей, трубопроводов форвакуумной линии, устройств подачи рабочих газов и напуска атмосферного воздуха.

Значительное влияние на формирование и рост покрытий оказывает рабочий газ, в атмосфере которого происходит напыление. Поэтому необходимо учитывать состав и скорость подачи газа в вакуумную камеру. Была проведена работа по измерению расхода рабочего газа в вакуумную камеру во время проведения напыления. Определение расхода рабочего газа проводилось следующим образом. Вакуумная камера была откачана до остаточного давления 2-10"4 Тор. При помощи игольчатого натекателя устанавливался расход подачи аргона в вакуумную камеру на уровне 30 делений шкалы ротаметра РМГ 063. При таком расходе газа давление в вакуумной камере установилось на значении 3-10"3 Тор. Затем перекрывалась магистраль откачки газа из камеры, запускался секундомер для отсчета времени и, одновременно, фиксировалось изменение давления по показаниям вакуумметра ВИТ-2, датчиками давления для которого служат преобразователи манометрические ионизационные ПМИ-2 и ПМТ-2. При достижении давления газа в камере 1-10 Тор измерение прекращалось. Измерения производились по 7 раз, и вычислялось среднее значение. Устанавливался следующий расход газа, и заново проводились измерения.

По полученным данным определялся расход газа, используя формулу [5,6]:

д =

где V - объём вакуумной камеры, 270 дм3, а - атомная масса газа, 40 а.е.м.; АР - изменение давления в вакуумной камере, Тор; А1 - изменение времени, с. В результате проведения эксперимента получено, что расход рабочего газа при напылении составляет д=3,1 10"4 г/с.

При нанесении покрытий методом магнетронного распыления металлов в вакууме необходимо одновременно контролировать несколько параметров: напряжение и ток разряда, давление рабочего газа, контролируемые характеристики наносимых покрытий. Контроль осуществлялся с помощью многоканальной системы сбора данных на базе аналогового измерительного модуля ввода МВА8 [7], которая обеспечивает одновременную запись в компьютер основных параметров напыления. МВА8 работает в сети ЯБ-485. Для трансляции данных в компьютер, работающий в сети ЯБ-232, используется преобразователь интерфейсов АС3-М, который предназначен для двунаправленного обмена данными между интерфейсами ЯБ-232 и ЯБ-485 с автоматическим определением направления передачи данных.

МВА8 выполняет следующие основные функции:

- измерение физических параметров объекта, контролируемых входными первичными преобразователями;

- цифровую фильтрацию измеренных параметров от промышленных импульсных

помех;

- коррекцию измеренных параметров для устранения погрешностей первичных преобразователей;

- передачу на ПК информации о значениях измеренных датчиками величин или значениях, полученных после преобразования этих величин;

- изменение значений его программируемых параметров с помощью программы конфигурирования;

- сохранение заданных программируемых параметров в энергонезависимой памяти при отключении напряжения питания;

- снятие показаний датчиков положения (резистивного и токового типа) и контактных дискретных датчиков.

Для управления процессом нанесения покрытий по программе предназначен управляющий модуль МВУ8.

Ток измерительных датчиков не должен превышать 20 мА, напряжение ограничивается 50 мВ. Поэтому для измерения высоких токов и напряжений для вакуумного стенда была спроектирована и изготовлена система гальванической развязки. В результате измеряются и записываются на персональном компьютере в режиме реального времени значения токов до 20 А и напряжений до 600 В. Получаемые таким образом данные легко хранить и анализировать.

Напыление металлических покрытий на пластиковые подложки проводится в едином технологическом цикле. Подложка обезжиривается, затем помещается в вакуумную камеру, которая откачивается до давления 13 Па. На электрод ионной очистки подается высокое напряжение (до 1 кВ), и в течение 5-10 минут происходит ионная очистка. Затем камера откачивается до давления 2,6-10" Па, происходит напуск аргона до давления 0,26 Па. Подложка закрывается заслонкой, и зажигается аномальный тлеющий разряд на титановой мишени. Происходит удаление оксидной пленки с поверхности титановой мишени в течение 5 минут горения разряда. Заслонка убирается, происходит нанесение отражающего покрытия из Т на холодную подложку в течение 1-5 минут, после этого подложку вынимаем и проводим испытания.

Напыление оксидных покрытий на пластиковые подложки проводится по такому же циклу, только вместо аргона осуществляется напуск смеси кислорода и аргона.

Покрытия наносились с помощью магнетронов постоянного тока (рис. 1). При напылении основные параметры разряда изменялись в следующих пределах: напряжение на катоде изменялось от 475 до 500 В, ток разряда 2 - 3 А, давление в камере поддерживалось от 0,26 до 0,28 Па, содержание кислорода в смеси с аргоном варьировалось от 0 до 60 %, расстояние от подложки до магнетрона составляло 18 см, время напыления 5 мин. Распыленный титан осаждался на полиэтиленовые подложки толщиной 0,1 мм. На стеклянные подложки толщиной 1,5 мм напылялись покрытия олова.

------------О

-----------

10 20 30 40

Соотношение кислорода и аргона 02/Лг,%

Рис. 1 - Зависимость удельного сопротивления покрытий титана на пластике от соотношения кислорода и аргона

10000 I 1000

° § 100 § £ 0 10

ё

а 1 с 1

о о

Соотношение кислорода и аргона в рабочей смеси газов, используемой при распылении металла, в значительной степени определяет физико-механические характеристики покрытий. Для изучения влияния соотношения аргона и кислорода были получены и исследованы металлические и оксидные покрытия на пластике и на стекле. Полученные покрытия исследовались на адгезионную прочность, измерялось их удельное электрическое сопротивление, оптические характеристики (коэффициент отражения) и проводились исследования модуля упругости.

Адгезионная прочность покрытий определялась методом отрыва покрытия липкой лентой. Лента размером 15х25 мм плотно приклеивалась на свеженанесенное покрытие и затем резким движением отрывалась от поверхности. Адгезия покрытия считается хорошей, если покрытие остается на подложке, и плохой, если оно остается на липкой ленте. Результаты испытания покрытий показали, что все полученные покрытия имеют хорошую адгезионную прочность во всем диапазоне изменения соотношения кислорода и аргона.

Удельное электрическое сопротивление (Ом/см2) покрытий измерялось с помощью Омметра двухзондовым методом: измерительная ячейка в виде медных контактов квадратной формы со стороной 1 см, находящихся на расстоянии 1 см друг от друга прижималась к покрытию с усилием 0,2 Н/см2 [8,9,10]. Для каждого образца измерение проводилось не менее семи раз в разных точках, результат усреднялся. Полученные данные представлены на рис. 1.

Сопротивление покрытий, полученных в атмосфере чистого аргона, малы по сравнению с сопротивлением покрытий, полученных в атмосфере смеси аргона и кислорода. С увеличением процентного содержания кислорода удельное сопротивление покрытий значительно возрастает. Это свидетельствует о том, что увеличение процентного содержания кислорода в смеси газов ведет к повышению степени окисления покрытия.

Изменение соотношения кислорода и аргона в смеси реакционных газов влияет и на оптические свойства покрытий, которые оценивались по измерению коэффициента отражения. Коэффициент отражения покрытий измерялся на приборе ИКО-1 в оптическом диапазоне с использованием в качестве сравнения эталонных образцов с известным коэффициентом отражения.

При увеличении процентного содержания кислорода коэффициент отражения покрытия падает. При увеличении доли кислорода с 0 до 38 % это падение составляет более чем в два раза. Такое изменение происходит за счет увеличения прозрачности оксидных пленок титана. При увеличении процентного содержания кислорода в смеси реакционных газов увеличивается прозрачность покрытия и, соответственно, уменьшается коэффициент отражения. Зависимость коэффициента отражения покрытий титана и олова от содержания кислорода в смеси реакционных газов представлена на рис. 2.

При увеличении процентного содержания кислорода в смеси реакционных газов в процессе нанесения покрытий олова коэффициент отражения сначала растет, достигая максимального значения при 38%, а затем падает до прежнего значения (рис. 2).

Покрытия были исследованы на сканирующем зондовом микроскопе МиШМоёе V фирмы Veeco (рис.3,4). Для фиксации образцов на металлической подложке использовался специальный двухсторонний скотч.

В экспериментальных условиях, когда кантилевер приближается к поверхности образца, на него начинают воздействовать сила Ван дер Вальса. Они распространяются достаточно далеко и ощутимы уже на расстояниях в несколько десятков ангстрем. Затем на расстояниях в несколько ангстрем начинают действовать силы отталкивания.

гп Коэффициент отражния покрытия, %

45 о Титан  Олово

Т

35 т 0

30

25 С 20 1 т : [5

5 -

15 г

10 5 г

5 1 I

0

0 ) 10 20 30 40 50 6 Соотношение кислорода и аргона О2/АГ, %

Рис. 2 - Зависимость коэффициента отражения покрытий титана и олова от соотношения кислорода и аргона

Рис. 3 - АСМ изображение поверхности металлического покрытия

Рис. 4 - Объемное изображение поверхности металлического покрытия

При работе в контактном методе изгиб кантилевера отражает отталкивающую силу и используется непосредственно, в системе обратной связи или в их комбинации для отображения рельефа поверхности.

Неровности поверхности не превышают 2 мкм, причиной могут служить неровности самой подложки, т.к. толщина функциональных покрытий превышает нескольких сотен нанометров.

В результате проведенных исследований выявлены зависимости физикомеханических характеристик покрытий от параметров низкотемпературной плазмы аномального тлеющего разряда. Удельное сопротивление покрытий титана на пластики уве-

личивается с увеличением содержания кислорода в смеси реакционных газов. С увеличением содержания кислорода коэффициент отражения покрытий титана уменьшается. Коэффициент отражения покрытий олова на стекле достигает максимального значения при соотношении кислорода и аргона равном 38 %. Полученные зависимости необходимы при получении полупрозрачных, токопроводящих покрытий на пластике и стекле.

Литература

1. Галяутдинов, Р.Т. Технология напыления высокоотражающих покрытий на изделия из АБС-пластика / Р.Т. Галяутдинов, Н.Ф. Кашапов, Г.С. Лучкин // Инженерно-физический журнал АН Беларуси. - 2002. - Т. 75, №5. - С. 170-173.

2. Галяутдинов Р.Т. Технология получения оптических покрытий с помощью низкотемпературной плазмы / Р.Т. Галяутдинов, Н.Ф. Кашапов, Г.С. Лучкин // Тез. докл. XXXIII международной (Звенигородской) конф. по физике плазмы и УТС. - Звенигород: 2006. - С 310.

3. Галяутдинов Р. Т. Физические процессы в аномальном тлеющем разряде при нанесении оксидных покрытий / Р.Т. Галяутдинов, Н.Ф. Кашапов, Г.С. Лучкин // Прикладная физика. - 2005. - №

6. - С. 88-92.

4. Кашапов Н.Ф. Модернизация вакуумной установки для нанесения тонкопленочных покрытий / Н.Ф. Кашапов, А.Г. Лучкин, Г.С. Лучкин // Научная сессия КГТУ. - Казань: 2009. - С 275.

5. Райзер, Ю.П. Физика газового разряда / Ю.П. Райзер // М.: Наука, 1992. - 536 с.

6. Фролов, Е.С. Вакуумная техника: Справочник / Е.С. Фролов, В.Е. Минайчев, А.Т. Александрова и др // М.: Машиностроение, 1992. - 480 с.: ил

7. Галяутдинов, Р.Т. Формирование защитных покрытий для алюминиевых зеркал методом магнетронного распыления / Р.Т. Галяутдинов, Н.Ф. Кашапов, Г.С. Лучкин // Сварочное производство.

- 2003. - № 3 (820). - С. 27-31.

8. Зиганшина, Л.Р. Исследование зависимости физико-механических характеристик покрытий на пластиках от параметров аномального тлеющего разряда магнетрона / Л.Р. Зиганшина, А.Г. Лучкин, Г.С. Лучкин // Сб. работ победителей конкурса студентов вузов по направлениям: лазерные и плазменные технологии, квантовая и атомная оптика, нанофотоника. - Набережные Челны, 2009.

- С. 308-309.

9. Кашапов, Н.Ф. Диагностика аномального тлеющего разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях в процессе нанесения оптических покрытий / Н.Ф. Кашапов, Г.С. Лучкин // Материалы IV межд. симпозиума по теоретической и прикладной плазмохимии. КТЛРС-2005. -Иваново, 13-18 мая 2005 г. - С. 500-503.

10.Галяутдинов, А.Р. Ионно-плазменное формирование упрочняющего покрытия / А.Р. Г.С. Лучкин // XXXV Межд. (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС. - Звенигород, 2008. - С 299.

© Н. Ф. Кашапов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологического оборудования медицинской и легкой промышленности КГТУ, kashnail@mail.ru; Г. С. Лучкин - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, gluchkin@mail.ru; А. Г. Лучкин - асп. той же кафедры, whitegluck@mail.ru.