Две группы процессов, используемых для нанесения покрытий

Ответ:

Методы, связанные с созданием на поверхности материалов, особенно металлических, модифицированных слоев, достаточно изучены, отработаны и широко применяются на практике. Многие из таких методов или их усовершенствованных вариантов могут рассматриваться как методы нанотехнологии, так как позволяют создавать наноразмерные и/или наноструктурные слои на поверхности материалов, композиционные материалы с нанокомпонентами, а в ряде случаев и наноматериалы в виде нано и микроизделий.

Данные методы нанесения покрытий путем осаждения можно условно подразделить на две большие группы:                                                                                                                                                       – технологии, основанные на физических процессах (ФОП или PVD) ;                                                                                                                                                                          – технологии, основанные на химических процессах (ХОП или CVD).

Внутри этих двух основных групп существует довольно большое количество разновидностей. Кроме того, применяются комбинированные методы или методы с поддержкой от других источников энергии. Тем не менее, конечный результат в любом случае – осаждение материала покрытия на материал подложки из газовой фазы.

При физическом осаждении материал покрытия переходит в газовую фазу из твердого состояния в результате испарения под воздействием тепла или в результате распыления за счет кинетической энергии столкновения частиц материала. Энергия. распределение и плотность потока частиц определяется методом нанесения, параметрами процесса и формой источника частиц. Нанесение покрытий методом PVD происходит при невысокой температуре (обычно до 500 ^ОС), что не приводит к практическим ограничениям по материалам, на которые наносятся покрытия. Это особенно важно при нанесении покрытия на быстрорежущую сталь, так как не превышается температура отпуска закаленной стали (около 550 ^ОС).

Все процессы PVD происходят в вакууме или в атмосфере рабочего газа при достаточно низком давлении (около 10^-2 мбар). Это необходимо для облегчения переноса частиц от источника (мишени) к изделию (подложке) при минимальном количестве столкновений с атомами и молекулами газа. Это же условие определяет обязательность прямого потока частиц. В результате покрытие наносится только на ту часть изделия, которая ориентирована к источнику частиц. Скорость осаждения покрытия зависит в этом случае и от относительного расположения источника и материала. Для равномерного нанесения покрытия необходимо систематизированное движение материала или применение нескольких, определенным образом расположенных источников. В то же время, покрытие наносится только на поверхности в прямой видимости источника, оставляя другие без покрытия.

Среди всех наноориентированных технологий обработки поверхности на сегодняшний день наиболее перспективными являются ионно- вакуумные технологии нанесения покрытий. Полученные такими способами слои отличаются высокой адгезией, а температурное воздействие на материал основы как правило минимальное. Так, размер кристаллитов в пленках, полученных по технологиям вакуумного нанесения, может достигать 1-3 нм.

Одними из основных факторов, определяющих качество покрытия, нанесенного методом физического осаждения, являются чистота исходных материалов, необходимый уровень вакуума и чистота реакционного газа.

Преимуществом метода химического осаждения покрытий (CVD) является то, что он практически не имеет ограничений по химическому составу покрытий. Все присутствующие частицы могут быть осаждены на поверхность материала. Какие покрытия при этом образуются, зависит от комбинации материалов и параметров процесса. Если процесс протекает при заполнении рабочей камеры реакционным газом (азотом, кислородом, углеводородным), то происходит нанесение нитридных, оксидных и карбидных покрытий. При этом происходит химическая реакция между атомами осаждаемых металлов и молекулами реакционного газа. Состав покрытия зависит от парциального давления реакционного газа и скорости осаждения покрытия.

При химическом осаждении происходят химические реакции на или около поверхности покрываемого материала. В противоположность процессам PVD, при которых твердые материалы покрытия переводятся в газообразную фазу путем испарения или распыления. При процессе CVD в камеру подается смесь газов.

Для протекания необходимых химических реакций требуется температура до 1100 ^ОС. Это необходимое условие существенно ограничивает число материалов, на которые можно нанести покрытие методом CVD. И, если большинство твердых сплавов выдерживают такой нагрев без последствий, то термообработанные быстрорежущие стали теряют все свои свойства в результате отпуска.

Процессы CVD происходят в менее глубоком вакууме при давлении между 100 и 1000 Па. В результате обеспечивается нанесение покрытия на всю поверхность изделия. Отпадает необходимость вращения изделия, как при методе PVD. Это одно из преимуществ метода CVD. В отличие от установок PVD, установки CVD имеют довольно большой размер.

Для обеспечения однородности обработки во всем объеме рабочей камеры необходимо обеспечить оптимальные потоки газа. Для этого применяется специальная система подачи газа, так называемый газовый душ. Для предотвращения опасных выбросов газов в атмосферу требуется система фильтров

59. Способы распыления материала используемые в методах осаждения из паровой фазы.

Ответ: