К.т.н. Береговая О.М., студ. Ильчак Р.В.

Одесская национальная академия пищевых технологий, Украина

Исследование рельефа и распределения
по толщине конденсационных покрытий на лицевой
и тыльной поверхностях подложки

Под конденсационными покрытиями (пленками) подразумеваются покрытия, получаемые с использованием вакуумных технологий, поскольку покрытие формируется на защищаемой поверхности (подложке) путем конденсации паров материала покрытия при соответствующем давлении в вакуумной камере. Высокая степень однородности покрытия зачастую является решающим фактором для практического использования конденсационных покрытий, особенно в качестве функциональных покрытий и пленок. Существуют разные методы повышения равномерности толщины конденсационных покрытий, как то: различные способы вращения подложек, оптимизация геометрической конфигурации «источник (испаритель) – подложка», использование соответствующих масок и экранов и т.п. Чтобы выбрать соответствующий метод повышения равномерности толщины покрытия, важно знать особенности конденсации паров материала покрытия на лицевой и тыльной поверхностях подложки. Под лицевой стороной подложки подразумевается ее сторона, обращенная к испарителю, а тыльная – противоположна лицевой.

Нами рассмотрены два вида конденсационных покрытий – вакуумные и ионные. Вакуумные покрытия наносятся испарением металла в вакууме (например, электронно-лучевым способом), а ионные – электронно-лучевым испарением в условиях тлеющего разряда в атмосфере инертных газов, причем подложка является катодом [1]. Вакуумные хромовые покрытия получали с помощью электронно-лучевого испарения в следующем режиме:

1) ускоряющее напряжение 6 кВ;

2) анодный ток 0,4…0,5 А;

3) давление в вакуумной камере при испарении хрома 1∙10^–4…2∙10^–4 мм рт.ст.,

4) скорость конденсации 0,1…0,3 мкм/с , температура подложки при конденсации покрытия 420…450 °С;

5) испаряемый материал помещался в теплоизолированный тигель размером 30×60´8 мм, изготовленный из листового молибдена.

Между тиглем с испаряемым металлом и параллельной ему неподвижной плоской стальной подложкой размером 50´30´2 мм расположена заслонка. Перед тем как открыть заслонку, электронно-лучевую пушку постепенно вводили в режим при пониженном токе (порядка 0,2 А) в течение 1…2 мин. За это время происходила дегазация хрома. Вакуум при этом ухудшался до 5∙10^–4…6∙10^–4 мм рт.ст. В процессе откачки через 1…2 мин вакуум вновь улучшался. Ток пушки доводили до 0,4…0,5 А и через 20…30 с открывали заслонку. Осаждение металла на подложке проходило при установившейся скорости испарения. После нанесении покрытия подложка остывала в вакууме в течение 15…20 мин до температуры 60…80 °С, после чего в камеру впускали воздух и извлекали подложку.

Предварительная подготовка поверхности подложки состояла из механической обработки (зачистка шлифовальной шкуркой) и обработки тлеющим разрядом: после механической зачистки подложку располагали в вакуумной камере, где впоследствии происходила конденсация покрытия. Подложка являлась катодом тлеющего разряда при напряжении 400 В, плотности тока 5…10 мА/см² и давлении 0,5…1,0 мм рт.ст. Обработка разрядом продолжалась в течение 5 мин.

Для ионного осаждения покрытия в атмосфере аргона использовали электронно-лучевую пушку с полым катодом. Режим нанесения покрытия следующий: обработка подложки тлеющим разрядом в течение 5 мин при напряжении 3 кВ и плотности тока разряда 0,5 мА/см² с последующим осаждением покрытия при напряжении 8 кВ и токе пушки 0,6 А. На подложку подавалось отрицательное смещение 1 кВ; плотность ионного тока составляла 0,6 мА/см², давление – 2∙10^–2…5∙10^–2 мм рт.ст.

Рельеф покрытий на лицевой и тыльной стороне подложки исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа. Микрофотографии сделаны с экрана телевизионной трубки. Время сканирования электронного луча 5 с. Образцы при исследовании находились под углом 45° к электронному лучу и к детектору вторичных электронов, поэтому вертикальные размеры на микрофотографиях (рис. 1, 2) соответствующим образом искажены.

На лицевой поверхности подложки вакуумное хромовое покрытие характеризуется однородной структурой и высокой адгезией. Если средняя толщина хромового покрытия на лицевой поверхности составляла 16 мкм, то на тыльной стороне неподвижной подложки при нанесении вакуумного покрытия сформировался «порошкообразный» слой (в виде своеобразного налета), толщина которого не превышала 0,1…0,2 мкм. Неоднородные, слабо связанные друг с другом участки хромового конденсата легко отделяются от основы. Если на такую поверхность в дальнейшем осадить толстый слой хрома, адгезия все равно окажется неудовлетворительной. Полученные результаты свидетельствуют о том, что при нанесении качественного вакуумного покрытия на деталь сложной конфигурации ее необходимо не просто вращать над испарителем в процессе нанесения покрытия, а предусмотреть вращение с большой угловой скоростью именно на первых стадиях процесса конденсации, чтобы предотвратить образование слабо сцепленного с основой слоя.

В случае ионного осаждения формирование покрытия одновременно происходит на обеих поверхностях, причем по структурным свойствам и адгезии покрытие на тыльной стороне не уступает покрытию на лицевой стороне, но толщина покрытия на тыльной стороне подложки примерно в три раза меньше, чем на лицевой. Это различие можно объяснить более значительным рассеянием потока паров металла при его конденсации на тыльной поверхности.

Распределение покрытий по толщине приведено на рис. 3. Коэффициент неравномерности толщины , где δ – толщина покрытия на расстоянии l от центра подложки, δ₀ – толщина покрытия в центре подложки.

В случае вакуумного покрытия его максимальная толщина наблюдается в центре подложки, симметрично расположенной относительно испарителя; толщина покрытия резко уменьшается по направлению к краю подложки. На лицевой стороне образцов с ионным покрытием наблюдается аналогичная картина, хотя при удалении от центра подложки уменьшение толщины покрытия происходит менее резко, чем в случае вакуумных покрытий. На тыльной стороне подложки распределение ионных покрытий по толщине практически равномерное, наблюдается лишь незначительное увеличение толщины у краев подложки. Подобное явление наблюдали авторы работы [2] для вакуумных и ионных покрытий из меди. Этот эффект обусловлен действием двух основных факторов: рассеянием паров металла на пути к подложке и влиянием бомбардировки ионами аргона, что приводит к увеличению подвижности конденсирующихся на тыльной стороне частиц материала покрытия. На тыльной поверхности неподвижной параллельной испарителю подложки осаждаются только рассеянные атомы материала покрытия. Вероятность их осаждения на тыльной стороне подложки будет бóльшей именно у края подложки.

Следует заметить, что абсолютное значение толщины ионных покрытий, на тыльной стороне подложки, как было отмечено выше, в несколько раз меньше по сравнению с толщиной на лицевой стороне подложки.

Таким образом, проведенные исследования показали, что при нанесении вакуумных покрытий на тыльной стороне подложки осаждается слабо сцепленный с подложкой неоднородный слой конденсата. Поэтому для получения покрытия с хорошей адгезией на детали сложной конфигурации необходимо предусмотреть ее вращение над испарителем с большой угловой скоростью именно на первых стадиях процесса конденсации, чтобы предотвратить образование слабо сцепленного с основой слоя. Ионные покрытия характеризуются высокой однородностью по толщине.

Литература

1. Береговая О.М., Колтунова Л.Н., Костржицкий А.И. Конденсационные покрытия на основе нитридов металлов. – Одесса: «Друк», 2007. – 63 с.

2. James A.S., Matthews A. A simple model for the prediction of coating thickness uniformity from limited measured data // Surf. Coat. Technol. – 1993. – Vol. 61, № 1 – 3. – P. 282 – 286.