Технология формирования тонких полимерных покрытий из активной газовой фазы

Технология получения покрытий плазмоионным распылением в несамостоятельном газовом разряде

Несамостоятельный газовый разряд – разряд, для поддержания которого необходим постоянный подвод энергии извне. Для инициирования и поддержания газового разряда, как правило, используют:

1) заряженные частицы, например, электроны, генерируемые отдельным источником;

2) ультрафиолетовое или γ- излучение (образование заряженных частиц происходит вследствие ионизации или фотоэффекта);

3) внешнее высокочастотное электромагнитное поле.

В технологии получения покрытий наиболее часто в качестве внешнего ионизатора используют электроны, источником которых является, например, размещенный в камере термокатод. Наиболее простой реализацией данного метода является трехэлектродное устройство распыления с термокатодом (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема распыления в несамостоятельном газовом разряде: 1– термокатод; 2– анод; 3– распыляемая мишень; 4– изделие

Использование несамостоятельного газового разряда позволяет значительно снизить начальное давление в камере и, таким образом, уменьшить концентрацию химически активных газов и, соответственно, повысить химическую однородность покрытий.

При реализации данного метода достигаются следующие характерные параметры:

-скорость осаждения – до 0,1 мкм/мин. При этом скорость распыления регулируется в широких пределах, например, путем изменения тока эмиссии термокатода;

-удельная испаряемость β ≈ 10^-7 г/Дж.

Преимущества метода распыления в несамостоятельном газовом разряде по сравнению с другими методами заключаются:

1) в универсальности, т.к. можно получать покрытия любой природы, в том числе из самых тугоплавких материалов, полимеров;

2) высокой сплошности и адгезии формируемых покрытий (они не содержат включения активных газов и химических соединений с их участием);

3) возможности получения покрытий сложного состава (карбидов, нитридов, оксидов);

4) достижении относительно высокой скорости распыления и, соответственно, скорости роста покрытий.

В вакуумной технологии нанесения тонких полимерных покрытий можно выделить два основных направления. К первому относят наиболее разработанные и нашедшие достаточно широкое практическое применение методы осаждения полимерных покрытий на твердой поверхности в результате ионно-электронной бомбардировки адсорбированных на ней низкомолекулярных органических соединений. В соответствии с данными методами в вакуумную камеру напускается мономер (или другие низкомолекулярные соединения) до давления порядка 100 Па и ниже. Адсорбированные на поверхности подложки соединения подвергаются воздействию электронов, ионов или УФ излучения. В результате происходит возбуждение электронных уровней молекул (их активация) с последующим протеканием реакций полимеризации. Такая технология требует применения систем напуска и специальных источников активационного воздействия. Кроме этого, формирование покрытий происходит, как правило, с низкой скоростью роста, а их функциональные свойства очень сильно зависят от режима и условий синтеза, что создает ряд трудностей при реализации данных технологий.

Второй подход в технологическом отношении более прост. В качестве исходного материала используется полимер или олигомер в конденсированной фазе. Создание активной газовой среды происходит в результате воздействия на мишень (полимер или олигомер) концентрированного потока энергии (электронов, ионов, лазерного излучения или теплового нагрева за счет теплопроводности). В итоге наблюдается диспергирование (разрушение) материала мишени и образование летучих продуктов, которые поступают на поверхность подложки, и на ней создаются условия для протекания реакции вторичной полимеризации. Важной особенностью данного технологического подхода является одновременное протекание двух основных стадий: образование летучих продуктов и их активация. Как правило, формирование покрытий из большого числа полимеров не требует дополнительного энергетического воздействия на подложку. Однако в ряде случаев, когда время жизни активных частиц достаточно мало, полезным является дополнительное инициирование реакций вторичной полимеризации, например, путем создания в газовой фазе дополнительного электрического разряда. Отметим, что при больших плотностях концентрированного потока энергии, действующего на исходный полимер, возможно образование летучих фрагментов, имеющих высокую молекулярную массу. При этих режимах существенное влияние на кинетику роста и свойства покрытий оказывают процессы физической адсорбции тяжелых частиц.

При определенных условиях возможно протекание процессов газо-фазного синтеза и образования в объеме вакуумной камеры капельной фазы.

В целом, технология нанесения покрытий является относительно простой, однако имеющие место при этом физико-химические процессы являются более сложными, и изменение условий их протекания предоставляет возможность регулирования свойств покрытий в широких пределах.

Дата добавления: 2017-01-14