УДК 621. 039

Коваленко М.Й.

 

Харківський державний аграрний університет ім. В.В. Докучаєва,
Україна, 62483, м. Харків, п/в Комуніст - 1

 

МОДЕЛЬ СТРУКТУРНОГО ПРОСТОРУ ВЗАЄМОДІЇ ПОТОКУ ПЛАЗМИ З ДІЕЛЕКТРИКАМИ.

 

Процес осадження покриттів із потоку плазми супроводжується комплексом теплофізичних і фізико-хімічних явищ на поверхні й у приповерхневому прошарку Цей шар є зоною найбільш інтенсивних взаємодій.

На першій стадії формування покриття поверхня діелектрика розпорошується під впливом потоку частинок прискореної плазми, що падає на неї.  Порушуються термодінамічно стійкі рівноваги поверхневих і приповерхневих шарів, руйнуються сталі хімічні зв'язки, різко зростає хімічна активність нової поверхні, яка утворюється.  Це обумовлено вилученням адсорбованого і хемосорбованого прошарку, домішок і частини атомів поверхневого шару підкладки.  Зберігаються мікронеоднорідності розподілу потенціалу приповерхневого шару, обумовлені наявністю простих і складних дефектів.  Тому можливість і швидкість протікання хімічних і плазмохімічних реакцій на поверхні, яка знову утворюється, відрізняються від швидкостей хімічних реакцій на небомбардованих поверхнях.

При бомбардуванні потоком плазми складних з'єднань у поверхневому і приповерхневому шарах підкладки руйнуються молекули підкладки, утворюються нові хімічні сполуки атомів із плазменого потоку і залишкового газу з осколками молекул підкладки, формується розчин заміщення.  Межа поділу між покриттям і підкладкою стає неупорядкованою.  Між матричним прошарком підкладки і покриттям утворюється перехідний прошарок.

Для утворення тривкого зв'язку покриття з підкладкой необхідно, щоб в результаті хімічних реакцій у перехідному прошарку формувалися з'єднання і розчини, що були б міцно пов'язані як із покриттям, так і з підкладкою, а механічні і теплофізичні властивості нової структури мали значення проміжні між покриттям і підкладкою, плавнозмінні по лінійному чи квазилінійному закону.  На практиці такі умови не завжди вдається реалізувати.  При низьких (теплових) енергіях частинок у потоці  адгезія металевих покриттів на діелектричних підкладках зростає тільки за умови  спеціальної  підготовки  поверхні з підтримкою її температури на рівні, достатньому для протікання хімічних реакцій і дифузійних процесів.  Але ця температура вище температури фазових переходів в діелектриках, що ускладнює процес нанесення  покриттів з необхідною адгезією.   Зв'язок нанесеного плазменим потоком прошарку з підкладкою встановлюється за рахунок Ван-дер-Ваальсових сил .  При енергіях частинок у потоку 1 - 106 еВ [1] на поверхні підкладки відбуваються фізико-хімічні процеси, які призводять до формування перехідного прошарку.

Коли параметр qt0,5 ( q - питоме енерговиділення на поверхні, t - час дії джерела тепла), який залежить від теплофізичних характеристик матеріалу підкладки, відповідає початку квазістаціонарного процесу випаровування,  авторами робіт [2, 3] була запропонована інша модель взаємодії потоку плазми з підкладкою. 

При взаємодії потоку плазми з поверхнею утворюється зона підвищеного тиску і температури.  Це викликає інтенсивний процес випаровування матеріалу підкладки.  Випаровані атоми підкладки змішуються з частинками падаючого потоку плазми.  Наступна конденсація суміші, яка утворилася, сприяє формуванню перехідного шару між підкладкою і покриттям. 

При значеннях параметру qt0,5, що не призводять до випаровування  матеріалу підкладки, може бути запропонований механізм формування широкого спектра хімічних сполук у перехідному шарі і покритті під час напилювання імпульсним потоком прискореної плазми.  На початковому етапі бомбардування підкладки атоми й іони плазменого потоку очищають поверхню від адсорбованих і хемосорбованих домішок, які розпорошуються вилітаючи з поверхневого шару назустріч потокові плазми.

Під дією високоенергетичних іонів імпульсного плазменого потоку (після видалення поверхневих домішок) відбувається розпилення матеріалу підкладки.  Іони вибиваються з кристалічної градки, зокрема, внаслідок процесу, що може бути промодельований як зіткнення пружних кульок [4], а також внаслідок гальмування падаючих частинок і нагрівання мікрооб’емів підкладки до температур порядку 104 К (відповідно до моделі термічних піків).  Нагрівання може викликати випаровування  атомів тонкого приповерхневого шару.

Розпиленню потоком плазми піддається частина атомів покриття, яка встигла прийти в термодинамічну рівновагу з підкладкою.  Крім того, не всі атоми й іони падаючого потоку конденсуються на поверхні. Частина їх відбивається від неї летить назустріч плазменому потоку.  Імпульсний процес осадження також вносить несок у формування додаткового потоку залишкових газів.  Відбувається це за рахунок іонно-стимульованої десорбції залишкових газів, які встигають адсорбуватися на підкладці в проміжку між імпульсами.  Ці процеси в приповерхневих шарах ведуть до формування інтенсивних потоків частинок назустріч падаючому на поверхню потокові плазми.

Атоми домішок, що покидають поверхню  підкладки і речовини, яку напиляють, знаходяться в збудженому й іонізованому стані.  Енергія розпилення частинок знаходиться в інтервалі від теплових  до 100 - 200 еВ і вище.  Це призводить   до збільшення швидкості плазмохімічних реакцій у приповерхневій зоні плазми. Хімічні з'єднання, які утворяться, випадають на поверхню що бомбардується і сприяють формуванню перехідного шару. 

У процесі напилення все менша кількість атомів підкладки рухається назустріч прискореному потокові плазми, тому що відсоток напиленої речовини в приповерхневому прошарку зростає.  Зростання товщини напиленого шару призводить до того, що із поверхні розпилюються тільки атоми речовини, яка напилюється і атоми залишкових газів.  Надалі відбувається формування поверхневого шару з матеріалу покриття заданої товщини. 

Схема можливих взаємодій потоку плазми з поверхнею підкладки подана на рис. 1.  Римськими цифрами позначені області: І - потік плазми речовини та іонів  залишкових газів; II - поверхнева зона плазми, у якій можуть відбуватися плазмохімічні реакції потоку плазми з зустрічними потоками розпилених  атомів домішок, підкладки і самого покриття; III - перехідний прошарок, що формується, між підкладкою і покриттям; IV - підкладка з постійною структурою. 

ІІ
 

ІІІ
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


ІV
 

І
 
-  потік плазми;     -  - приповерхневий прошарок плазми;        -  перехідний прошарок;          - підкладка;

-         атоми й іони плазми;     -  - атоми залишкового газу

-         атоми домішок, які адсорбовані поверхнею;      - атоми підкладки;

-         хімічні сполуки, які утворенні з атомів потоку і підкладки;

-         хімічні сполуки, які утворенні з атомів потоку і домішок;

-         хімічні сполуки, які утворенні з атомів потоку і залишкового газу.

На початковій стадії процесу на поверхні й у приповерхневих зонах плазми і підкладки мають місце такі явища.  Високоенергетичні іони розпилюють адсорбований прошарок домішки і вибивають деяку кількість атомів підкладки, число яких залежить від енергії бомбардуючих  іонів, співвідношення мас атомів, які бомбардують, і атомів мішені, кута падіння частинок і т.д. [5, 6] При проникненні  іонів в  кристалічну градку підкладки можливе: утворення розчинів заміщення або упровадження (1), утворення нових хімічних сполук (іонів з атомами підкладки) в глибині або в приповерхневому прошарку підкладки (2).  Атоми домішок, які розпилені  із поверхні, вступають у хімічну реакцію з частинками падаючого потоку (4), а молекули, які утворилися, осідають на поверхні підкладки (4'). У результаті конденсації атомів домішок  (5) вони проникають у прошарок, який росте (5'), або десорбуються  й утворюють молекули (4).

При упровадженні іонів в підкладку, в результаті швидких або повільних процесів зіткнення, відбувається розпилення атомів підкладки.  Вони вступають у хімічні сполуки з атомами падаючого потоку (3, 6).  Ці молекули (3, 6, 6') концентруються на поверхні. У приповерхневій зоні плазми відбуваються пружні зіткнення частинок взаємодіючих потоків (7, 8) із розпиленням (8) або конденсацією (7') частинок, що зіткнулися.

Якщо у вакуумному об’ємі є реактивні залишкові гази, у зоні I, II протікають реакції плазмохімічного синтезу з конденсацією продуктів цих реакцій (9) на поверхні підкладки.  Вимірювання мікротвердості таких структур свідчить про плавну зміну параметрів шаруватої структури метал-діелектрик.

Висновки. Осадження металів на діелектричні підкладки з використанням попереднього розпилення приповерхневих шарів із застосуванням імпульсного плазменого прискорювача з формуючою лінією дозволяє створити перехідної шар частинок, що в результаті впровадження, на глибину тисячних долей мікрона забезпечує концентрацію матеріалу, яка змінюється плавно, металевої плівки від 0 до 100%. Це дозволяє формувати високі адгезійні властивості металевих покриттів. Розроблена модель процесу дозволяє усвідомлено підходити до формування перехідного прошарку і забезпечувати відтворюванні високі адгезійні властивості з'єднань метал-диелектрик.

Результати приведених досліджень дозволяють одержувати високі міцністні властивості металокерамічних з'єднань у виробах  машинобудування та електронної техніки.

                                            Список літератури.                        

1.                     Дороднов А.М., Петросов В.А. О физических принципах и типах вакуумных технологических плазменных устройств // журнал технической физики. – 1981. – Т. 51, вып. 3. – С. 504 – 524.

2.                     Лисиченко В.И., Петриченко Н.Н., Погорелый В.А. Особенности взаимодействия металлической плазмы с поверхностью полупроводников // Взаимодействие атомных частиц с твердым телом. – Киев: Наук. Думка, 1974. – Ч. 2. – С. 140 – 142.

3.                     Гринюк С.И.. Лисиченко В.И., Погорелый В.А. Плазмоконденсатные контакты к арсениду галлия // Всесоюз. Симпозиум “Генерация СВЧ колебаний с использованием эффекта Ганна”: Тез. докл. – Новосибирск, 1973. – С. 73-74.

4.                     Каминский М. Атомные и ионные столкновения на поверхности металла / Пер. с англ. под ред. акад. Л.А.Арцимовича, - М.: Мир, 1967. – 506 с.

5.                     Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Вып. 1: Физическое распыление одноэлементных твердых тел / Под ред. Р. Бериша; Пер. с англ. – М.: Мир, 1984. – 336 с.

6.                     Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Вып. 2: Распыление сплавов и соединений, распыление под действием электронов и нейтронов, рельеф поверхности / Под ред. Р. Бериша; Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – 488 с.