книги / Особенности получения наноструктурированных ионно-плазменных плёнок с заданными свойствами

Формирование ИПП происходит постадийно: образование зародыша, островковый рост, соударение адатомов и объединение островков, формирование поликристаллических островков и каналов, развитие непрерывной структуры, рост пленки (рис. 4). В процессе срастания островков образуется большая движущая сила для огрубления зерен при поверхностной диффузии атома и движения границ зерна. Необходимыми факторами для развития микроструктуры являются поверхностная и объемная диффузия. На них главным образом оказывает влияние температура подложки и ионная бомбардировка, которые могут быть использованы для увеличения подвижности адатомов.

Рис. 4. Схематичная диаграмма осаждения однокомпонентных ИПП, иллюстрирующая фундаментальный процесс ее формирования [111, 112]

Ранее были созданы эмпирические модели структурных зон [113] (рис. 5). Существуют три зоны, в соответствии с которыми постепенно происходят переходы в зависимости от отношения Тп/Тпл (Тп – температура подложки и Тпл – температура плавле-

31

ния материала пленки). Зона I относится к очень низким температурам осаждения, при которых диффузия адатома незначительна. В зоне Т поверхностная диффузия становится значительной, в то время как зона II иллюстрирует рост пленки при температурах осаждения, при которых действуют как поверхностная, так и объемная диффузия.

Рис. 5. Модели структурных зон, схематически представляющие развитие микроструктуры однокомпонентных пленок [99, 114]

Приведенные примеры описания процесса формирования и структурообразования однокомпонентных ИПП не могут быть использованы для разработки и получения ИПП сложного элементного состава, способных работать в экстремальных условиях. Практическое значение будет иметь установление корреляционной связи между технологическими условиями формирования ионно-плазменных пленок и процессом их структурообразования.

32

7. ПОЛУЧЕНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПЛЕНОК ZrN МЕТОДАМИ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ИСПАРЕНИЯ И МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ

Эксплуатационная стойкость большинства деталей машин, технологического инструмента и пар трения, испытывающих воздействие динамических, знакопеременных нагрузок и агрессивной среды, в значительной степени определяется их поверхностными свойствами. В настоящее время для улучшения последних используется широкий арсенал различных комбинированных методов осаждения функциональных пленок, в том числе основанных на модернизации промышленного вакуумного оборудования. Создание и исследование прогрессивных материалов функциональных пленок, в частности многослойных упрочняющих и защитных пленок с переменной твердостью, позволяющих максимально увеличить работоспособность изделий различного назначения, является актуальной и научно обоснованной задачей.

Основные задачи покрытий: получение в течение одного технологического цикла экономичных многофункциональных пленок со стабильными эксплуатационными характеристиками

имультислоями переменной твердости за счет модернизации

ипоследующей автоматизации промышленной вакуумной установки электродугового испарения; диагностика технологического процесса – установление зависимостей температуры поверхности конденсации и микротвердости пленок на основе ZrN от технологических параметров электродугового испарения и магнетронного распыления; оптимизация технологических процессов получения пленок на основе ZrN при одновременном применении электродугового испарения и магнетронного распыления.

33

7.1. Модернизация промышленной вакуумной установки электродугового испарения УРМ 3.279.048

Основные конструктивные и технические работы по модернизации установки электродугового испарения УРМ 3.279.048 (далее – установки): разработка проекта, изготовление и установка в вакуумную камеру четырех несбалансированных магнетронов и резистивного нагревателя (рис. 6, табл. 1); усовершенствование существующих источников высокого и опорного (смещения) напряжения на подложке, конструкции подложкодержателя.

а б

Рис. 6. Модернизированная установка УРМЗ 3.279.048: а – принципиальная схема; б – внешний вид установки: 1 – магнетроны, 2 – дуговые испарители, 3 – резистивный нагреватель, 4 – планетарный механизм

Таблица 1 Основные параметры и характеристики установки

34

Окончание табл. 1

Технические характеристики новых и модернизированных функциональных узлов:

Несбалансированный магнетрон (рис. 7):

•диаметр мишени 125 мм,

•величина магнитной индукции на поверхности мишени

0,03–0,1 Тл,

35

стей разрядного тока и высоких скоростей осаждения, слабого воздействия вторичных электронов на подложку. Неравномерность электрического и магнитного полей и, соответственно, плотности разрядного тока (искривление разряда) приводят к тому, что распылению в основном подвергается узкая кольцеобразная область мишени [116].

Источник питания магнетрона. Четыре одинаковых блока питания магнетронов расположены в стойке питания магнетронов, блок управления магнетронов – в стойке управления. Блок питания и блок управления магнетрона будем называть источником питания магнетрона (рис. 8).

Рис. 8. Схема блока питания магнетрона

37

Характеристики источника питания магнетрона:

•напряжение питания магнетрона 300–700 В,

•рабочий ток 3–6 А,

•питающая сеть 3×380 В, 50 Гц,

•мощность, потребляемая от сети, не более 4 кВт. Трехфазное напряжение подают на трансформаторы TV1,

TV2, TV3. Управление выходной мощностью осуществляют ступенчато с помощью коммутации первичных обмоток трансформаторов реле Р1–Р4. Первичные обмотки подключены по схеме «звезда», а вторичные обмотки – по схеме «треугольник». Выпрямленное диодами VD1–VD2 напряжение через балансный резистор R2 подают на магнетрон. Контроль тока осуществляют с помощью шунта R1, контроль напряжения – с помощью делителя R3–R8. Переключатель реле Р1–Р4, амперметр и вольтметр расположены в блоке управления.

Для предотвращения возникновения на мишени микродуг, защиты от короткого замыкания и стабилизации тока разряда применены трансформаторы с большой индуктивностью рассеивания.

Блок питания подложки выполнен по схеме, аналогичной блокам питания магнетронов. Отличие состоит в том, что предусмотрены два диапазона и плавная регулировка напряжения на подложке (см. табл. 1). Кроме того, возможно кратковременное (продолжительностью 20 мс) отключение блока питания при возникновении микродуг на подложке.

Блоки питания и управления испарителями и резистивным нагревателем. Блоки питания испарителей и нагревателя расположены в стойке питания нагревателя и испарителей, блоки их управления – в стойке управления, и не имеют особенностей.

Управление блоками питания магнетронов, дуговых испарителей, подложки и нагревателя осуществляют как с помощью переключателей на блоке управления (ручной режим), так и дистанционно с ЭВМ через сетевой интерфейс RS-485.

38

7.2. Автоматизация модернизированной вакуумной установки УРМЗ 3.279.048 электродугового испарения и магнетронного распыления

Схема автоматической цифровой многоканальной системы измерения и поддержания давления в вакуумной камере (рис. 9).

Рис. 9. Автоматическая цифровая многоканальная система измерения и поддержания давления в вакуумной камере: А – электронный блок вакуумметра; B – провод питания 220 В; С – термопарная лампа; D – ионизационная лампа; E – электронный блок натекателя; G – сигнальные кабели; H – кабель обмена данными с IBM; J – IBM; L – кабель обмена данными между блоками; M – кабель для подключения дополнительных устройств в сеть; N, O – вход рабочих газов; P, R – выход

рабочих газов

Система включает в себя цифровой ионизационно-термо- парный вакуумметр с непрерывным диапазоном измерения давления и автоматической дегазацией датчиков, цифровой натекатель газа, содержащий два встроенных прецизионных регулятора расхода газа с теплометрическими измерителями расхода газа.

39