Научно-исследовательская работа «Ионное распыление как метод повышения адгезионной прочности покрытий»

МБОУ - средняя общеобразовательная школа №43 г. Белгорода Научно-исследовательская работа «Ионное распыление как метод повышения адгезионной прочности покрытий» Выполнил: ученик 11 «А» класса Еськов Вячеслав член НОУ «Импульс» Руководитель НОУ «Импульс» Бусыгина Л. М. Научный руководитель: Галкина М. Е. Старший научный сотрудник НИЛ разработки и внедрения ионно-плазменных технологий НИУ «БелГУ», кандидат ф-м наук Белгород 2012 Содержание Введение. 1. Адгезия. Адгезия. Основные понятия. Физическая сущность. Виды связи на границе раздела. Теории адгезии. Методы измерения адгезии. Методы обработки поверхности. 2. Ионное распыление. Сущность ионного распыления. Основные закономерности и физические модели процесса ионного распыления. Аппаратное обеспечение процесса ионного распыления. Заключение. Введение Актуальность данного научного направления обусловлена его связью с проблемами разработки технологий нанесения покрытий в вакууме, разработки и внедрения энерго - ресурсосберегающих и экологически чистых технологий. Наиболее эффективным способом решения задачи улучшения свойств конструкторских материалов является изменение свойств поверхности деталей. Это связано с тем, что поверхность зачастую определяет срок эксплуатации, надёжность, качество, износ, стоимость изделий, коэффициент трения. Существуют различные методы модифицирования поверхности, направленные на решение данной задачи. Одним из методов нанесения покрытий является вакуумно - дуговой метод. При нанесении покрытий вакуумно - дуговым методом необходимо контролировать свойства получаемых тонких вакуумных покрытий. Одним из таких свойств является адгезия, так как она определяет эксплуатационные характеристики этих покрытий. Адгезия. Основные понятия. Адгезия - это возникновение связи между поверхностными слоями разнородных (твёрдых или жидких) тел (фаз), приведённых в соприкосновение. Такое физическое явление есть результат межмолекулярного взаимодействия, наличия ионной, металлической и других связей. В частности, адгезией обусловлено сцепление плёнки с подложкой, либо нескольких плёнок между собой. Физическая сущность. Виды связи на границе раздела. Сцепление плёнок может быть обусловлено различными по своей природе силами В области границы раздела двух фаз могут возникать следующие силы: 1) Механическая связь. Чисто механическая связь предполагает возникновение на границе либо шероховатости, либо зацеплений. В чистом виде механическая связь не возникает. Ей обычно сопутствует процесс физической адсорбции, который наблюдается при механическая связь сопровождается диффузией или химическими реакциями. 2) Связь, осуществляемая силами физической адсорбции. При сближении поверхностей любых тел на достаточно близкие расстояния (порядка нескольких нанометров) между ними возникают силы притяжения, электростатические по своему характеру. Данный вид взаимодействия, названный физической адсорбцией или взаимодействием сил Ван-дер-Ваальса, характеризуется относительной слабостью. Силы Ван-дер-Ваальса присутствуют в любом случае при тесном контакте тел и сопровождают другие виды взаимодействия (химические, электростатические и др.). 3) Химическая связь. Данный вид взаимодействия предполагает наличие электронных переходов между атомами контактирующих тел. Образование химической связи может произойти двумя путями. во-первых, с помощью прямого переключения (трансляции) валентных связей; во-вторых, с помощью образования в граничной области некоторого промежуточного соединения, которое обеспечивает адгезию. Данные механизмы образования адгезионной связи могут сопутствовать друг другу. 4) Металлическая связь. Взаимодействие двух различных металлов объясняется металлической связью, возникающей вследствие «стягивания» ионного состава металлов свободными электронами [9]. Теории адгезии. Первые работы, в которых рассматривается механизм адгезии, появились в 20-х годах XX столетия. В настоящее время существуют следующие теории адгезии: адсорбционная, молекулярная, диффузионная, механическая и электронная [3]. Методы измерения адгезии. В связи с разнообразием механизмов образования адгезионного контакта на практике применяется большое число методов измерения адгезионной прочности покрытий, как разрушающего, так и неразрушающего характера. Большинство методов измерения адгезии являются разрушающими, например такие как: метод нормального отрыва, метод вдавливания микроиндентора, метод скрайбирования [1]. Метод нормального отрыва. Для его реализации к участку плёнки известной площади прикладывается нормальная сила, причем отрыв производится строго одновременно по всей площади контакта. Обычно это достигается с помощью штыря, цилиндра или проволоки, которые прикрепляются к поверхности плёнки с помощью приклейки, приварки или припайки. Метод нормального отрыва неприменим для измерения адгезионной прочности сцепления вакуумных покрытий, так как их адгезия выше, чем адгезия спая или склея. Метод вдавливания микроиндентора При вдавливании в образец конического микроиндентора возникает сложное поле напряжений, включающее тангенциальную составляющую и параллельную поверхности раздела плёнка-держатель. После измерения вздутия плёнки, образующегося вокруг центра вдавливания, можно определить энергию адгезии и силу сцепления плёнки с подложкой. Недостатком данного метода является то, что при вдавливании микроиндентора происходит разрушение подложки. Метод скрайбирования заключается в нанесении на поверхность плёнки серии царапин движущейся иглой, на которую действует вертикальная нагрузка. Эта нагрузка увеличивается до тех пор, пока плёнка не удалится полностью и внутри царапины не начнёт просматриваться поверхность подложки. Значением нагрузки на иглу, при которой происходит полное удаление плёнки, и оценивается адгезионная прочность. Момент удаления плёнки, как правило, фиксируется под микроскопом. Метод скрайбирования неприменим, так как не даёт точного значения величины адгезии, а носит качественный характер. Метод измерения адгезионной прочности сцепления вакуумных конденсатов с подложкой на основе нанесения отрывающего покрытия заключается в том, что прикладывают к покрытию, нанесённому на основу, отрывающую нагрузку и определяют адгезию плёнки к подложке. Для создания отрывающей нагрузки используют второе покрытие, например, углеводородное алмазоподобное покрытие, полученное вакуумно-дуговым методом [2, 9]. Методы подготовки поверхности перед нанесением покрытия Необходимым условием обеспечения прочной адгезии является удаление всех видов загрязнений с поверхности подложки. Подложки на своей поверхности имеют сложный спектр загрязнений - органических и неорганических, включающие материалы, попадающие при шлифовании и полировании поверхности, различные адсорбционные вещества, частицы пыли, отпечатки пальцев и т.д. [4]. Для удаления больших количеств загрязнений с поверхности подложки, а также пыли и отпечатков пальцев может применяться механическая очистка, которая производится протиркой щёткой или тканью в моющем растворе. Эффективным способом очистки поверхности от всех видов загрязнений является химическое стравливание поверхностного слоя. Наибольшие сложности возникают при удалении органических загрязнений [6, 8]. Для повышения активности процесса химической очистки применяется нагревание и приложение ультразвуковых колебаний. Эффект очистки нагревом объясняется: А) термодесорбцией; Б) химическими реакциями с газами атмосферы, в результате которых образуются летучие соединения [4]. Ионное распыление Традиционное жидкостная химическая обработка подложек является первой стадией очистки перед нанесением покрытий. А так как эта обработка сама оставляет загрязнения, то после неё используется ионно-плазменная очистка в условиях вакуума (ионное распыление). Ионное распыление является финишной очисткой перед процессами нанесения плёночных покрытий. Она представляет собой комплексную очистку, т.к. при произведении этой очистки на поверхности происходит несколько процессов очистки одновременно: физическое распыление, ионно-химическое и плазмохимическое травление, а также сопутствующая обработке термическая десорбция, что дозволяет получить максимально очищенную поверхность (подложку) и способствует получению высоко качественных, высокопрочных покрытий [5]. Сущность ионного распыления Ионная очистка (ионное распыление (ИР), ионное травление) — удаление вещества с поверхности твёрдого тела под действием ионной бомбардировки. Процесс ИР зависит от интенсивности пучка, вида, энергии, и угла падения ионов, а также от материала и состояния мишени. В процессе ИР, вследствие физического распыления, дефектообразования, имплантации ионов и атомов отдачи, меняются элементарный состав и структура поверхности: происходит обогащение поверхности определённым элементом, кристаллизация или аморфизация поверхностного рельефа при ИР включает несколько стадий: возникновение дефектов (вакансий, межузельных атомов, дислокаций) появление микроскопических неоднородностей размерами 10-100 нм [ямки травления, конические или пирамидальные выступы]; образование неоднородностей макроскопических размеров порядка долей мкм. ИР может осуществляться с использованием тлеющего разряда, ускоренного потока ионов или ускоренного потока нейтральных частиц. При этом происходит очистка поверхности подложки вследствие следующих физических процессов: • десорбции загрязнений, происходящей под ударами ионов нейтральных частиц; • фотодесорбции под действием ультрафиолетового излучения из ионного источника; • термодесорбции загрязнений из-за нагрева подложки падающими частицами, а также рекомбинации на её поверхногсти; • реакции органических загрязнений с химически активными газами [5], • изменения структуры и фазового состава поверхности подложек под действием быстрых частиц. ИР имеет ряд преимуществ перед химическими и термическими методами травления: 1) Распылением выявляется структура весьма твёрдых сплавов силицидов, карбидов, боридов, специальных сталей, которые не поддаются другим способам травления. 2) ИР является универсальным травителем, пригодным для всех твёрдых материалов. 3) В процессе ИР не образуются окисные и другие плёнки, не происходит загрязнение образца травителем и шлифовальными материалами. 4) Распылением легко выявляется структура металлов, нагретых до высокой температуры. 5) При ИР можно легко управлять глубиной распыления и определять энергию связи поверхностных атомов. 6) Имеется возможность для собирания протравленного вещества с целью его химического анализа Нет затруднений при радиоактивных веществ [5]. Внедрение энергетических ионов в материалы. Рассмотрим основные закономерности процессов, протекающих при обработке поверхности материалов энергетическими частицами. Примером таких процессов может быть бомбардировка материалов ионами газов. Рисунок №1 Рис. 1 Схема физических явлений, наблюдаемых при взаимодействии энергетического иона с материалами: I+, I-, I0 - бомбардирующий и обратно рассеянные ионы в различном зарядовом состоянии, А+, А-, А0 - распылённые атомы в различном зарядовом состоянии, В- дефекты в материале, e- вторичные электроны, h- фотоны. Представленная на рис. 1 упрощённая схема иллюстрирует основные физические явления, происходящие при взаимодействии энергетических ионов с материалами. Ионы, имеющие высокую кинетическую энергию, внедряют в материал: На пути своего движения они испытывают упругие и неупругие столкновения с ядрами атомов и электронами вещества. В результате происходят следующие процессы: смещение и возбуждение атомов, изменение структуры материала в зоне столкновений, изменение зарядового состояния ионов, распыление атомов материала, которые также могут находиться в различном зарядовом состоянии, вторичная электронная эмиссия, электромагнитные излучения. Результатом упругих столкновений является: рассеяние бомбардирующих ионов, в том числе их обратное рассеяние из материала, усиление колебаний атомов вокруг своих равновесных положений, что эквивалентно разогреву материала, смещение атомов, приводящее к образованию точечных дефектов в материале; в случае, когда энергия и импульс бомбардирующего иона в результате упругих столкновений смещённых атомов передаются обратно на поверхность, происходит распыление материала. Неупругие столкновения обуславливают явления возбуждения и ионизации атомов и молекул, диссоциации молекул в результате передачи энергии электронам на атомных орбиталях, а также возбуждения всей электронной подсистемы обрабатываемого материала. Вероятность возбуждения становится максимальной, когда скорость иона близка к орбитальной скорости электрона. В результате неупругих столкновений возникают: электромагнитное излучение, вторичная электронная эмиссия с поверхности материала, зарядка распылённых частиц материала, перезарядка обратно рассеянных ионов [5]. Основные закономерности процесса ионного распыления Для характеристики процесса ионного распыления используется параметр, называемый коэффициентом распыления. Коэффициент распыления определяется как количество распылённых атомов, приходящихся на один бомбардирующий ион. Процесс распыления зависит от множества параметров: от кинетической энергии и атомного веса ионов, угла падения бомбардирующих ионов, электронной структуры сталкивающихся частиц, структуры и ориентации кристаллической решётки, энергии связи атомов в решётке и т.д. [7]. Ионный газовый источник Ионная очистка осуществляется с ионного источника типа «Радикал», который формирует трубчатый пучок ионов. Источник состоит из кольцевого анода и электромагнитной системы, включающей в себя катушку, катод и магнитопровод. Анод изолирован от корпуса. Катод с кольцевой щелью диаметром 100 мм изготовлен из магнитомягкого материала и служит одновременно магнитопроводом и ускоряющим электродом (катодом). Электромагнитная система выполнена так, что радиальное магнитное поле индукцией до 0,15 Тл создаётся в ускоряющем промежутке (зазор между анодом и катодом) соленоидом и системой магнитопроводов. Газообразное рабочее вещество подаётся в камеру через канал и через кольцевое отверстие в центральном магнитопроводе поступает в промежуток анод-катод. Сопротивление изоляции между корпусом и анодом должно быть не менее 1000 Мом. Подвод электропитания к аноду и охлаждение его водой осуществляется через вакуумные вводы, выведенные через основание. Вакуумные вводы источника, находящиеся во время работы под напряжением до 5 кВ, закрыты защитным кожухом [5-6]. Положительные ионы образуются в газе в результате ионизации атомов электронным ударом. Процесс ионизации состоит в том, что электрон, сталкиваясь с атомом, отрывает от него электрон. Для этого необходимо, чтобы сталкивающийся электрон имел энергию выше энергии ионизации атома. В разряде на постоянном токе электроны непрерывно поступают из катода в газоразрядный промежуток. По пути к аноду они разгоняются электрическим полем, ионизируют атомы газа в камере и вместе с вновь образовавшимися электронами, также ионизирующими газ, уходят на анод. Электроны могут также рассеиваться на атомах газа, попадать на стенки камеры и оседать на них, так как эти стенки являются обычно не проводящими. Под отрицательным потенциалом оказывается любой металлический электрод, не соединённый внешней цепью с источником питания («плавающий» электрод). Положительно заряженные ионы, обладая в тысячу раз большей массой по сравнению с электронами, являются частицами малоподвижными. Они медленно дрейфуют в электрическом поле и собираются отрицательно заряженными электродами или попадают на стенки камеры, где рекомбинируют с электронами. Иногда в напылительной камере создают продольное магнитное поле, параллельное электрическому полю между катодом и анодом. Это поле закручивает траектории электронов, летящих по направлению к стенкам, и тем самым предотвращает накопление на них отрицательного заряда и дрейф к стенкам положительных ионов [7]. Список использованной литературы Адгезия металлических плёнок к полимерной подложке // ГА Блинов, ГС Братова, В. И Бумарев и др. //Электронная пром-ть.-1975.-№4. С.31-34. Анищенко Л.М., Яковлева В.А., Фридман З.Г., Лобозов М.А. и др. Методы определения адгезии тонких плёнок // Обмен опытом в радиопромышленности.-1981.-№6.-С.49. Дерягин Б.В., Кротова Н.А., Смилга В.П. Адгезия твёрдых тел.-М. : Наука, 1973.-297 с. Зимон А.Д. Адгезия плёнок и покрытий. - М. : Химия, 1977.-352 с. Ивановский Г.Ф., Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материалов. - М.: Радио и связь, 1986, с. 4-10. Парфёнов О.Д. Технология микросхем: Учебное пособие для вузов по специальности «Конструирование и производство ЭВА»,- М. :Высшая школа, 1986. Ройх И.Л., Файнштейн А.И., Соколов А.Д. Возможный механизм адгезии вакуумных покрытий//Физика и химия обработки материалов. 1975.-№5.-С. 107. Рыкалин Н.Н., Шорохов М.Х., Красулин Ю.Л. Физические и химические проблемы соединения разнородных материалов // Изв. АН СССР. Сер. Неорганические материалы. 1965.-Т. 1.№1.-С. 29-36. Углов А.А., Анищенко Л.М., Кузнецов С.Е. Адгезионная способность плёнок,- М.: Изд. «Радио и связь», 1987. Уивер К. Диффузия в металлических плёнках. // Физика тонких плёнок / Пер. с англ.Под ред. В.Б. Сандомирского, А.Г. Ждана; Под ред. М.Х. Фракомба, Р.У. Гофмана. -М.: Мир. 1973 -.6.-С. 334-338. Заключение По результатам проведённых исследований можно сделать следующие выводы: Вследствие ионной очистки подложки происходит удаление комплекса загрязнений, как органического так и неорганическго характера. Вследствие ионной очистки происходит активация поверхности подложки, которая заключается в разрыве поверхностных связи подложки, вследствие чего облегчается процесс образования новых связей.

Похожие:

	Научно-исследовательская работа Научно-исследовательская работа Научно-исследовательская... Научно-исследовательская работа (нир) относится к циклу «Практики и научно-исследовательская работа» магистерской программы «Русский...		Исследовательская работа «Тайна имени». Выполнила ученица 6 класса... Научно-исследовательская деятельность в Мокрушинской школе Канского района Красноярского края
	Педагогический проект «Проектная и научно-исследовательская работа... Поэтому необходимо внедрять в учебный процесс новые современные технологии, например метод проектов, как один из методов, который...		Исследовательская работа школьников. 2007 №3 «Ученику необходимо... Леонтович А. В. Исследовательская деятельность учащихся в современном образовательном пространстве: итоги научно-практической конференции....
	Общая характеристика нир ученическая научно-исследовательская работа-... Ученическая научно-исследовательская работа это целенаправленная и результативная творческая работа ученика (группы учеников), выполненная...		Список учащихся, рекомендованных на участие в городской научно практической... Тип работы (исследовательский реферат, исследовательская работа, проектно-исследовательская работа)
	Отчет по научно-исследовательской работе студентов экономического факультета за 2012-2013 г Научно-исследовательская работа студентов является действенным средством повышения качества подготовки специалистов и проводится...		Научно-исследовательская работа студентов колледжа На сегодняшний день развитие научно–исследовательской деятельности в учреждениях среднего профессионального образования становится...
	Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями фгос во... Салтанова Т. В. Метод конечных элементов в расчётах прочности. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления...		Научно-исследовательская работа студентов, встроенная в учебный процесс... Инновационные технологии в обучении графическим дисциплинам. Метод проблемного обучения
	Исследовательская работа Метод неопределенных коэффициентов На равенство в этом случае мы смотрим как на уравнение относительно указанной неизвестной величины. В 8 классе мы познакомились с...		1 Конференция проводится в форме (конкурсных) презентаций ученических... Школьном этапе традиционной краевой межкадетской научно-практической конференции «Дети в мире науки»
	Рекомендации по выполнению и оформлению курсовых и дипломных работ челябинск Научно-исследовательская работа студентов является продолжением и углублением учебного процесса, одним из важных и эффективных средств...		Среднего профессионального образования Самостоятельная работа студентов – это планируемая учебная, учебно-исследовательская, научно-исследовательская работа студентов,...
	Научно-исследовательская работа отчет о научно-технической продукции... Ооо «Научно-производственное объединение «Центр благоустройства и обращения с отходами»		Шутова Любовь Николаевна, начальные классы История жизни моей прабабушки... Научно- исследовательская деятельность в моу «Нижнекулойская средняя общеобразовательная школа»