Лабораторная работа 2.

Принцип работы и устройство установки для нанесения нанопокрытий UniCoat 600 SL+

Цель работы: изучить принцип действия и основные узлы установки для получения нанопокрытий «UniCoat 600 SL+»

Оборудование и инструмент: установка «UniCoat 600 SL+», паспорт установки

Отчет должен содержать:

1. Схему установки и обозначения основных узлов и агрегатов

2. Теоретическую часть с описанием принципа получения нанопокрытий для обычной и дуальной схемы расположения магнетронов

3. Фотографии, изображения или рисунки с получаемыминанопокрытиями

4. Таблицу получаемы на установке покрытий с указанием их физико-механических свойств.

Краткие сведения о установке

В установке UNICOAT 600SL+ (рис.1) реализован один из наиболее эффективных на сегодняшний день методов нанесения твердых и сверхтвердых реактивных покрытий – магнетронное распыление при помощи дуального несбалансированного магнетрона.

По сравнению с наиболее широко распространенным методом вакуумного дугового испарения данный метод имеет следующие основные преимущества:

Рис.1. Общий вид установки для получения нанопокрытий «UniCoat 600 SL+»

полное отсутствие включений капельной фазы (микрочастиц) в структуру покрытия

высокая степень ионизации, как металлических атомов, так и газовых компонентов плазмы

возможность синтеза покрытий при относительно низких температурах (200 – 4000С)

Рис.2. Схема дуального магнетрона

Покрытие наносится с двух одинаковых несбалансированных магнетронов, расположенных симметрично относительно вертикальной плоскости осевого сечения планетарного механизма. Взаимная ориентация магнетронов задается регулируемым углом α. Для получения двухфазного покрытия. Дуальный режим работы магнетронов осуществляется при помощи их подключения по особой схеме к импульсным источникам питания.

Рис. 3 Схема работы блоков питания магнетронов в дуальном режиме

Питание магнетронов осуществляется с двух импульсных блоков ИВЭ-157, подключенных к магнетронам по дуальной схеме. Блоки работают в периодическом импульсном биполярном несимметричном режиме: подача отрицательного импульса разрядного напряжения -Ud происходит попеременно на каждый из двух магнетронов. При этом магнетрон, на который подается -Ud работает в этот полупериод в режиме распыления, в то время как другой магнетрон выполняет для него роль анода. В следующий полупериод магнетроны «меняются ролями».

Особенности и преимущества дуального режима реактивного магнетронного распыления по сравнению с обычным импульсным режимом.

При работе магнетрона в реактивном режиме на поверхности мишени образуется низкопроводящий или диэлектрический (в случае нанесения оксидов) компаунд, на котором в результате ионной бомбардировки накапливается положительный заряд, создаваемый ионами Ar+.. При достижении разности потенциалов между положительным заряженным слоем компаунда и отрицательным потенциалом мишени величины напряжения пробоя, на мишени возникает микродуговой разряд. Это приводит к срыву магнетронного разряда и генерации микрочастиц компаунда, которые могут войти в состав наносимого покрытия, вызывая дефекты структуры покрытия, приводящие к снижению его свойств и характеристик. Кроме того, положительно заряженный слой снижает энергию ионов Ar+ , осуществляющих распыление компаунда мишени, что приводит к увеличению степени «отравления» мишени, уменьшению потока распыляемого металла и, тем самым, уменьшению скорости нанесения реактивного покрытия.

Степень ионизации плазмы, генерируемой магнетронным разрядом НМ, определяется плотностью электронов в зоне разряда. При работе магнетрона в обычном импульсном режиме, анодом являются стенки камеры или специальная рамка, устанавливаемая по периферии магнетрона. Для каждого из магнетронов дуальной пары анодом является мишень размещенного вблизи него соседнего магнетрона. Таким образом, весь электронный ток разрядного импульса протекает через область магнетронного разряда. Что существенно усиливает степень ионизации не только атомов и молекул рабочих газов, но и распыляемых металлических атомов. Повышенная степень ионизации плазмы увеличивает отношение потока ионов бомбардирующих поверхность наносимого покрытия к потоку осаждаемых атомов v = ni/na , что приводит к получению более плотной структуры покрытия.

При работе магнетронов в дуальном режиме обеспечивается нанесение покрытий с повышенной степенью ионизации плазмы. Это приводит к получению более совершенной структуры реактивного покрытия и создает необходимые условия для получения нанокомпозитных покрытий.

При уменьшении tимп (увеличении частоты следования импульсов) значительно уменьшается число микродуг на отравленной части мишени магнетрона, поскольку за короткий период импульса возникающая микродуга не успевает развиться и гасится во время «анодной» паузы. В результате снижается количество микродефектов в покрытии. Однако высокая частота работы блоков питания приводит к увеличению пикового тока в импульсе (величина которого ограничена возможностями ключа-коммутатора блока питания магнетрона) и, возрастанию средней величины разрядного напряжения, которое для данных блоков не превышает 600-650 В. Поэтому в реактивном процессе следует задавать минимально возможные значения tимп для обоих магнетронов, учитывая приведенные выше ограничения по предельному пиковому току и максимальной величине разрядного напряжения.

Метод нанесения 2D нанокомпозитных покрытий (покрытия типа superlattice) с использованием системы НМРС-2D.Для получения 2D нанокомпозитов используется оригинальная схема несбалансированных магнетронов НМРС-2D (Рис.4) (патент РФ №2308538).

Рис.4. Схема получения 2D нанокомпозитов с использованием системы НМРС-2D.

В процессе планетарного вращения изделие последовательно проходит зоны нанесения покрытий каждого из двух центральных магнетронов. При каждом проходе наносится нанослой покрытия распыляемого металла. Магнетроны расположены в центре камеры, спиной друг к другу. Тем самым, зоны распыления магнетронов, имея диаметрально противоположную ориентацию, не пересекаются друг с другом. Это обеспечивает отсутствие в структуре покрытия смесевого переходного субслоя между разнородными нанослоями, т.е. формируется многослойная структура с тонкими границами. Такая структура обеспечивает получение экстремально высоких свойств, присущих данному типу нанокомпозитов. Важнейшим параметром покрытия типа superlattice, определяющем его механические и физические свойства является толщина бислоя λ, называемая периодом суперлатика. Для каждого 2D нанокомпозита существует оптимальное значение периода λopt , при котором покрытие имеет наивысшие свойства. При меньших или более высоких периодах свойства покрытия падают.

Величина λ регулируется скоростью вращения планетарного механизма, т.е. определяется параметром T. При этом λ = k·Т, где k – коэффициент пропорциональности.

Исследуемые Образцы Установка

Поиск по сайту: