3.1. Основные стадии и особенности процесса нанесения вакуумных покрытий

Процесс нанесения вакуумных покрытий предполагает реализацию следующих основных стадий:

– образование газовой фазы (генерация паров, летучих продуктов);

– перенос атомов, частиц вещества от источника газовой фазы до покрываемой поверхности;

– взаимодействие частиц газовой фазы с поверхностью и образование покрытия.

Все известные методы нанесения покрытий отличаются способами генерации газовой фазы, режимами и условиями массопереноса и пленкообразования.

Необходимым условием получения качественных покрытий является создание в рабочей камере высокого вакуума, что позволяет:

1. Исключить процесс окисления при нагреве металла до высоких температур.

2. Исключить химическое взаимодействие атомов паровой фазы с молекулами остаточных газов. Это реализуется при условии

λ>d,

где λ – длина свободного пробега; λ=1/( √2nσn); d – характерный размер вакуумной камеры; σ – площадь сечения взаимодействия; n – концентрация атомов в газовой фазе.

Давление паров в вакуумной камере p и их концентрация связаны соотношением p=nkT. Тогда получим следующее выражение для длины свободного пробега:

λ=(kT)/( √2nσp).

Оценки показывают, что при давлении в камере Р ~ 10^-2 Па длина свободного пробега λ= 0,5 м, что соответствует характерному размеру вакуумной камеры.

3. Благодаря вакууму устраняется теплообмен за счет теплопроводности газов и конвекции.

4. Использование вакуума позволяет производить высокоэффективную очистку поверхности, удалять адсорбированные газовые слои. Основные методы очистки поверхности заключаются в ее нагреве до температуры 250…300 °С, при которой происходит удаление адсорбированных молекул влаги, органических загрязнений и т. дю, и ионной обработке поверхности.

При вакуумном нанесении покрытия предъявляются следующие требования к материалу подложек, на поверхности которых оно формируется:

1. Подложка в процессе нанесения покрытия не должна выделять в вакууме летучие продукты. Часто при металлизации, в частности, полимерных материалов для уменьшения газовыделения поверхность подложки покрывают антидиффузионным слоем, который препятствует выделению летучих материалов в вакуум из объема материала.

2. Сохранение размеров и геометрической формы при тепловом воздействии, которое имеет место при формировании покрытия. Данное условие особенно важно для материала подложки, имеющей низкую термостойкость.

В условиях вакуума, когда выполняется требование , атомные потоки, исходящие из зоны парообразования, распространяются прямолинейно и удовлетворяют двум законам Ламберта.

Первый закон Ламберта: интенсивность испускаемых под углом φ к поверхности парообразования атомных частиц пропорциональна cosφ (j_φ ~ cosφ, где φ– угол между направлением распространения частиц и нормалью к поверхности порообразования (рисунок 1)).

Рисунок 7.1 – Пространственное распределение испаренных частиц

Второй закон Ламберта: плотность потоков атомов обратно пропорциональна квадрату расстояния от зоны генерации паров до точки, в которой регистрируется плотность потока.

По определению, плотность потока атомов j= N/(St) (N–количество атомов, поступающих на нормально расположенную поверхность площадью S за время t). Тогда на основании второго закона Ламберта получим

N/(St) ~ 1/r².

На основании данных законов предоставляется возможность расчета толщины наносимых покрытий, определения оптимальных конструкционных параметров вакуумных установок.