Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ ИЗ АМОРФНОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ РЕАКТИВНЫМ ИСПАРЕНИЕМ АЛЮМИНИЯ В РАЗРЯДЕ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области нанесения покрытий из аморфного оксида алюминия реактивным испарением алюминия на изделия из металла и диэлектриков и может быть использовано в различных областях науки и техники. Покрытия из аморфного оксида алюминия, благодаря сочетанию высокой твердости, термостойкости, химической инертности, а также теплозащитным, электроизоляционным и другим свойствам, перспективны для широкого спектра применений. Такое покрытие используют при изготовлении износостойких деталей машин, работающих в агрессивных средах и подвергающихся интенсивному эрозионному и абразивному воздействиям, в микроэлектронике в качестве материала подложки электронных схем, светодиодов и солнечных батарей, а также в инструментальном производстве, где оксид алюминия используется в составе многослойных покрытий на пластинах из твердого сплава. Диэлектрические оксидные слои используются в качестве просветляющих и высокоотражающих покрытий при разработке полупроводниковых лазерных излучателей.

Нанесение диэлектрических оксидных покрытий с высокой скоростью (более 100 нм/ч) широко распространенным методом реактивного магнетронного распыления затруднено из-за образования на поверхности распыляемых мишеней оксидов, коэффициент распыления которых на порядок величины меньше, чем для чистых металлов [Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Вып. II. Распыление сплавов и соединений, распыление под действием электронов и нейтронов, рельеф поверхности: Пер. с англ. / Под ред. Р. Бериша. М.: Мир, 1986. 488 с.]. Более высокую скорость обеспечивает способ нанесения оксидных покрытий испарением катода дугового разряда в среде реакционного газа. В катодных пятнах дугового разряда генерируется поток ионов материала катода с энергией в несколько десятков электрон-вольт, что обеспечивает получение плотных оксидных покрытий. Однако, наряду с ионным потоком в катодных пятнах генерируются микрокапли материала катода, внедрение которых в состав диэлектрического оксидного покрытия резко ухудшает его качество. Применение магнитных фильтров для отсечки микрокапельной фракции плазмы дуги усложняет конструкцию устройства и снижает скорость нанесения покрытия.

Наиболее распространенным способом нанесения диэлектрических оксидных покрытий в настоящее время является реактивное испарение металлов электронным пучком. Известен способ нанесения покрытий из Al₂O₃, при котором алюминий испаряют высокоэнергетичным (5-25 кВ) электронным пучком, а для ионизации паров используют сильноточный (400 А) разряд с самонакаливаемым полым катодом [Н. Morgner, М. Neumann, S. Straach, М. Krug. The hollow cathode: a high-performance tool for plasma-activated deposition. Surface and Coatings Technology 108-109 (1998) 513-519]. Таким методом при комнатной температуре были получены плотные аморфные Al₂O₃ покрытия толщиной 2-6 мкм, скорость осаждения достигала 100 нм/с.

Недостатком данного способа является использование такого технически сложного в эксплуатации устройства, как электронная пушка, и необходимость принятия мер защиты персонала при работе с высоким напряжением и защиты от рентгеновского излучения, которое генерируется при воздействии высокоэнергетического электронного пучка на металл. Кроме того, условием устойчивой продолжительной работы пушки является низкое давление газа в пушке, которое не должно превышать 10^-2 Па, что требует принятия специальных мер для поддержания перепада давлений между рабочей камерой и пушкой.

Наиболее близким к заявляемому является способ нанесения покрытия, в котором электронный пучок используется только на стадии нагрева и расплавления металла, затем в парах испаряемого металла зажигают сильноточный разряд с локализацией анода на расплавленном металле с током до 150 А при напряжении 30-70 В, который поддерживает требуемую температуру расплава и ионизацию паров [В.В. Кудинов, Г.В. Бобров. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование - М.: Металлургия, 1992, - 432 с.]. Недостатком данного способа является использование электронной пушки на этапе нагрева и расплавления испаряемого металла, кроме того, поскольку дуговой разряд на стадии нанесения покрытия поддерживается с помощью накаливаемой катодной нити, которая быстро выходит из строя в кислородсодержащей среде, такая система имеет очень малый срок службы в устройствах нанесения оксидных покрытий.

Основная техническая задача, решаемая в предлагаемом способе, это получение высококачественных диэлектрических покрытий из аморфного оксида алюминия с регулируемой в широких пределах скоростью нанесения. Поставленная техническая задача решается следующим образом. Используют сильноточный разряд низкого давления с самонакаливаемым полым катодом и полым анодом. Самонакаливаемый полый катод, в отличие от проволочных термоэмиссионных катодов прямого накала, способен длительное время устойчиво функционировать в устройстве нанесения оксидных покрытий при условии, что поток аргона подается через полый катод, а кислород поступает в область вблизи держателя образцов. Создаваемая таким образом газодинамическая экранировка катода практически исключает взаимодействие кислорода с рабочей поверхностью самонакаливаемого полого катода.

Процессы разогрева, испарения и ионизации паров металла происходят во внутренней полости анода, в которую помещают испаряемый металл, внешнюю поверхность полого анода, изготовленного из тугоплавкого металла, закрывают керамическим или металлическим экраном, имеющим плавающий потенциал, а подложку размещают напротив выходной апертуры полого анода. Условием устойчивого горения сильноточного разряда на внутреннюю поверхность полого анода с малой входной апертурой является формирование двойного электрического слоя пространственного заряда, в котором создается направленный внутрь анодной полости поток электронов. Падение напряжения на двойном слое устанавливается такой величины, при которой выполняется условие Ленгмюра для соотношения электронного I_e и ионного I_i токов через слой: , где m, М - масса электрона и иона, соответственно [И. Лангмюр. Электрические разряды в газах при низких давлениях. Успехи физических наук, 1933. Т. XII, Вып. 2. С. 291-312], и составляет несколько десятков электрон-вольт. Электроны, ускоренные в двойном электрическом слое, обеспечивают генерацию ионов в анодной полости.

Вначале зажигают разряд в инертном газе и производят очистку поверхности подложки ионным распылением, затем добавляют реактивный газ и увеличивают ток разряда до значений, обеспечивающих расплавление и испарение алюминия и ионизацию пара. Испаренные атомы металла и ионы, ускоренные в двойном электрическом слое, поступают на подложку и при взаимодействии с реактивным газом формируют покрытие. Скорость осаждения покрытия регулируется величиной тока разряда.

Таким образом, совокупность процессов в сильноточном разряде в режиме его горения с двойным электрическим слоем пространственного заряда на входе в полый анод, включающая термическое испарение металла с высокой степенью ионизации паров потоком ускоренных в двойном слое электронов и формирование потока ионов испаряемого металла, ускоренных до энергии 10-100 электрон-вольт в направлении подложки, обеспечивает формирование оксидного покрытия в кислородсодержащей среде. Очистка подложки ионами инертного газа обеспечивает высокую адгезию покрытия, а интенсивная ионная бомбардировка в процессе осаждения покрытия обеспечивает высокую плотность покрытия. Подбором параметров разряда можно регулировать скорость испарения металла, степень ионизации пара, ток и энергию ионов в потоке. Ускорение ионов в двойном электрическом слое в апертуре полого анода, а не в слое, создаваемом напряжением смещения вблизи поверхности подложки позволяет избежать проблем, связанных с зарядкой поверхности диэлектрических пленок и снижением энергии ионов, а также исключает влияние формы изделия на распределение ионного тока по поверхности покрытия, что позволяет избежать фокусировки ионного тока на элементах изделий с малым радиусом кривизны, приводящей, в частности, к затуплению режущих кромок инструмента с покрытием.

На фигуре 1 изображена схема процесса нанесения аморфного оксидного покрытия реактивным термическим испарением металлов в анодной полости сильноточного разряда постоянного тока с полым самонакаливаемым катодом: 1 - полый самонакаливаемый катод; 2 - полый анод; 3 - экран; 4 - держатель образцов; 5 - источник питания разряда; 6 - источник импульсного отрицательного напряжения смещения.

Предложенный способ был реализован с электродной системе с самонакаливаемым полым катодом из нитрида титана, изготовленным в виде трубки длиной 70 мм с внутренним диаметром 12 мм и толщиной стенки 2,5 мм. Полый анод из тантала в форме трубки диаметром 12 мм и длиной 40 мм размещался внутри металлического экрана, имевшего плавающий потенциал. Внутрь полого анода, использовавшегося в качестве тигля, загружалась навеска алюминия массой 1 г. Держатель образцов в виде пластины площадью 8 см² устанавливали напротив апертуры полого анода на расстоянии 40 мм и подключали к полому аноду через источник импульсного отрицательного напряжения смещения (50 кГц, 10 мкс, 0-500 В). Поток аргона 40 мл/мин подавали через катодную полость. Кислород напускали в рабочий объем. Подача напряжения между катодом и полым анодом приводит к зажиганию тлеющего разряда, который за время порядка 1 минуты разогревает самонакаливаемый полый катод до температур, обеспечивающих переход разряда в сильноточный низковольтный режим. Разряд горит в режиме с двойным слоем пространственного заряда на входе в полый анод, о чем свидетельствует появление ионного тока на держатель образцов и значительная разность потенциалов (30-50 В) полого анода и держателя образцов. Устанавливается ток разряда 2 А и в течение 10 мин производили ионную очистку поверхности подложки потоком ионов с плотностью тока 2 мА/см², которые дополнительно ускоряются напряжением смещения до энергии 500 эВ. Затем в рабочую камеру напускали кислород (поток 25 мл/мин). Полное давление газовой смеси в объеме составляло 0,2 Па. Ток разряда в цепи тигля плавно увеличивали до 4 А и производили осаждение покрытия. Температура держателя образцов в таком режиме составляла не более 250°С, скорость осаждения покрытия составляла 60 нм/мин, наносили покрытия толщиной до 10 мкм. В качестве подложки использовались кварцевое стекло и кремний.

Результаты исследования структурно-фазового состояния методом рентгеновской дифракции свидетельствуют об аморфной структуре покрытия. Элементный состав покрытия, измеренный энергодисперсионным методом, соответствует стехиометрическому составу Al₂O₃. Микротвердость покрытия, измеренная ультрамикротвердомером Shimadzu», составила 12 ГПа.

Процесс нанесения покрытия легко масштабируется, в частности, использованная в эксперименте конструкция самонакаливаемого полого катода обеспечивает стабильную длительную работу со средним током до 75 А, поэтому при увеличении размеров полого анода, массы испаряемого металла и потока кислорода и соответствующем увеличении скорости откачки вакуумной системы можно повысить скорость напыления и размеры подложки на порядки величины. Таким образом, предложенный способ решает поставленную техническую задачу получения высококачественного диэлектрического покрытия из аморфного оксида алюминия с регулируемой в широких пределах скоростью нанесения покрытия.