Тонкие пленки и покрытия

Создание тонких пленок и покрытий на поверхности материала позволяет значительно изменить его свойства, нс затрагивая объема, или объединить свойства двух и более материалов. Покрытия и тонкие пленки наносят с самыми различными целями, наиболее распространенными из которых являются:

• • повышение износостойкости, термои коррозионной устойчивости конструкционных, инструментальных и других материалов;
• • создание пленарных островковых однои многослойных пленок и гстсроструктур для микро- /наноэлектроники, оптоэлсктроники, сенсорики;
• • изменение оптических характеристик поверхности (фотохромные стекла, линзы, зеркала);
• • создание магнитных сред для записи и хранения информации;
• • разработка оптических средств записи и хранения информации;
• • создание поглотителей, сепараторов газовых смесей, катализаторов, химически модифицированных мембран.

Существуют два принципиально различающихся подхода к улучшению служебных характеристик поверхности: 1) модификация приповерхностных слоев соответствующей обработкой (химической, термической, механической, радиационной или их комбинацией); 2) нанесение дополнительных слоев чужеродных атомов.

Среди громадного разнообразия способов нанесения покрытий можно выделить несколько наиболее популярных, объединяемых обычно в две группы: физическое и химическое осаждение из паровой фазы (соответственно PVD и CVD). В обоих случаях процесс осуществляют в вакуумированной камере, в которой создается небольшое давление (0,1… 10 Па) технологического газа (N2, О2, С2Н2, Аг).

В PVD-методах используют в основном три способа доставки нового материала к подложке: 1) путем его испарения; 2) распыления; 3) ионного осаждения и имплантации. В первом способе осаждаемый материал помещают в испаритель, который нагревается электрическим током, индуктором, электронно-лучевой пушкой или лазером. Испарившиеся атомы осаждаются на обрабатываемую поверхность (обычно подогреваемую для более качественного сцепления). Во втором способе наносимый материал распыляется потоком ускоренных ионов, которые передают свою энергию выбиваемым атомам. Распыляемый материал располагают на катоде, а подложку, на которую наносят покрытие, — напротив катода [3].

Наиболее популярно и поэтому лучше всего исследовано так называемое магнетронное распыление.

Основные элементы процесса состоят в следующем: испускаемые накаленной нитью электроны движутся в скрещенных электрическом и магнитном полях по сложным криволинейным траекториям, периодически сталкиваясь с атомами рабочего газа (как правило, Аг) ионизируя их. Образовавшиеся ионы подхватываются электрическим полем и падают на катод, распыляя наносимый материал. В результате интенсивной ионизации атомов рабочего газа преодолевается основной недостаток методов распыления (по сравнению с испарением) — низкая производительность при гораздо более высоком качестве депозита. Сообщалось о скоростях осаждения, достигнутых этим методом (> 1000 нм/мин).

В ионном осаждении и имплантации на подложку падают нс атомы, а ускоренные полем ионы наносимого вещества. В результате достигаются хорошее сцепление покрытия с подложкой при низких температурах последней и глубокое проникновение осаждаемых ионов иод поверхность образца (сотни нанометров).

Методами PVD наносят износои жаростойкие покрытия: TiC, TiN, Ti (CN), Ti0₂, A1₂Оя и др.

Общими преимуществами методов PVD (в частности, перед плазменным напылением, CVD, электроосаждением) являются:

• • большое разнообразие составов осаждаемого материала (металлы, сплавы, тугоплавкие соединения и даже некоторые полимеры);
• • возможность получения высококачественных покрытий в широком диапазоне температур подложки;
• • высокая чистота наносимого материала при хорошем сцеплении с подложкой;
• • отсутствие существенного изменения размеров детали и качества ее поверхности, что в подавляющем большинстве случаев позволяет обходиться без последующей обработки ее поверхности.

В CVD-методах твердые продукты на подложке растут в результате химической реакции с участием атомов окружающей среды. В качестве источников энергии используют плазму, лазерное излучение и др. Следует отмстить, что CVD-тсхнологии еще более разнообразны, чем PVD-тсх пологи и, и применяются нс только для создания тонких пленок и покрытий, но и для наработки нанопорошков, которые затем удаляются с поверхности подложки и используются в различных целях. Методами CVD получено множество покрытий самого разного назначения: SiC, TiC, TiC-VC, Ti-Si-C, W₂C, ZrC, AIN, BN, CrN, (Si, Al) N, NiN, (Ti, V) N, ZrN, A1₂0₃, Cr₂0₃, Si0₂, ТЮ₂, Zr0₂, MoB, NbB₂, TiB, WB, Та, A1 и др. Достоинствами CVD-технологий являются:

• • гибкость и большое разнообразие, позволяющие осаждать покрытия на подложках самой разной природы и формы (на пластинах, волокнах, порошках и др.);
• • простота необходимого оборудования, легкая автоматизируемое^ процесса;
• • большой выбор химических реакций и веществ, пригодных к использо• регулируемость и контролируемость структуры покрытия, толщины, размера зерен и т. п.

Наноструктурные карбидные, нитридные, боридные, хромалмазные покрытия толщиной ~ 1 мкм успешно используют в качестве износостойких слоев на металлорежущем инструменте, штампах, фильерах и др. В ряде случаев эго увеличивает стойкость инструмента в десятки раз.

На рис. 3.8.1 показаны пленки наночастиц полистирола с различной степенью организации [9].

Рис. 3.8.1 Частично упорядоченная структура пленки наночастиц полистирола, полученной при помощи одностадийной сушки (слева), идеально структурированный монослой, полученный при помощи двухстадийной сушки (справа)

На рис. 3.8.2 показан дисплей, обладающий малым размером и гибкостью.

Рис. 3.8.2 Дисплей