О характере влияния различных газов на процесс конденсации покрытий из плазмы вакуумной дуги

Изучено влияние давления аргона, кислорода и азота на скорость конденсации потоков плазмы вакуумной дуги. Для аргона основным процессом, определяющим характер зависимости скорости осаждения от давления газа, является упругое рассеяние частиц металла на атомах газа. Для кислорода наряду с упругим рас...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автори:	Хороших, В.М., Леонов, С.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2009
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7972
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	О характере влияния различных газов на процесс конденсации покрытий из плазмы вакуумной дуги / В.М. Хороших, С.А. Леонов // Физическая инженерия поверхности. — 2009. — Т. 7, № 3. — С. 268-272. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-7972
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-79722010-04-26T12:01:16Z О характере влияния различных газов на процесс конденсации покрытий из плазмы вакуумной дуги Хороших, В.М. Леонов, С.А. Изучено влияние давления аргона, кислорода и азота на скорость конденсации потоков плазмы вакуумной дуги. Для аргона основным процессом, определяющим характер зависимости скорости осаждения от давления газа, является упругое рассеяние частиц металла на атомах газа. Для кислорода наряду с упругим рассеянием на характер данных зависимостей может оказывать химическая сорбция кислорода пленкой титана. При давлении азота 1,5 ÷ 5 Па происходит увеличение скорости осаждения покрытий, существенным образом зависящее от размеров подложки. Повышение скорости осаждения в азоте в области давлений 1,5 ÷ 5 Па может быть связано с появлением в объеме разрядной камеры возбужденных частиц обладающих повышенной рассеивающей способностью. Вивчений вплив тиску аргону, кисню і азоту на швидкість конденсації потоків плазми вакуумної дуги. Для аргону основним процесом, що визначає характер залежності швидкості осадження від тиску газу, є пружне розсіяння частинок металу на атомах газу. Для кисню разом з пружним розсіянням на характер даних залежностей може надавати хімічна сорбція кисню плівкою титану. При тиску азоту 1,5 ÷ 5 Па відбувається збільшення швидкості осадження покриттів, істотним чином залежне від розмірів підкладки. Підвищення швидкості осадження в азоті в області тиску 1,5 ÷ 5 Па може бути пов’язані з появою в об’ємі розрядної камери збуджених частинок тих, що володіють підвищеною розсіюючою здатністю. Influencing of pressure for argon, oxygen and nitrogen is studied, on deposition rate s of vacuum arc plasma streams. For argon a basic process, determining character of deposition rate, is resilient dispersion of metal particles on the atoms of gas. For oxygen along with resilient dispersion on character of these dependences chemical sorption of oxygen can render by of titanium film. At pressure of nitrogen 1,5 ÷ 5 Pa take place multiplying of deposition rate, by substantial appearance depending on the substrate sizes. Increase of deposition rate in nitrogen in range of pressures 1,5 ÷ 5 Pa can be related to appearance in the volume of discharge chamber of the excited particles of possessing the promoted dispersive abilіty. 2009 Article О характере влияния различных газов на процесс конденсации покрытий из плазмы вакуумной дуги / В.М. Хороших, С.А. Леонов // Физическая инженерия поверхности. — 2009. — Т. 7, № 3. — С. 268-272. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1999-8074 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7972 537.525.5 ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Изучено влияние давления аргона, кислорода и азота на скорость конденсации потоков плазмы вакуумной дуги. Для аргона основным процессом, определяющим характер зависимости скорости осаждения от давления газа, является упругое рассеяние частиц металла на атомах газа. Для кислорода наряду с упругим рассеянием на характер данных зависимостей может оказывать химическая сорбция кислорода пленкой титана. При давлении азота 1,5 ÷ 5 Па происходит увеличение скорости осаждения покрытий, существенным образом зависящее от размеров подложки. Повышение скорости осаждения в азоте в области давлений 1,5 ÷ 5 Па может быть связано с появлением в объеме разрядной камеры возбужденных частиц обладающих повышенной рассеивающей способностью.
format	Article
author	Хороших, В.М. Леонов, С.А.
spellingShingle	Хороших, В.М. Леонов, С.А. О характере влияния различных газов на процесс конденсации покрытий из плазмы вакуумной дуги
author_facet	Хороших, В.М. Леонов, С.А.
author_sort	Хороших, В.М.
title	О характере влияния различных газов на процесс конденсации покрытий из плазмы вакуумной дуги
title_short	О характере влияния различных газов на процесс конденсации покрытий из плазмы вакуумной дуги
title_full	О характере влияния различных газов на процесс конденсации покрытий из плазмы вакуумной дуги
title_fullStr	О характере влияния различных газов на процесс конденсации покрытий из плазмы вакуумной дуги
title_full_unstemmed	О характере влияния различных газов на процесс конденсации покрытий из плазмы вакуумной дуги
title_sort	о характере влияния различных газов на процесс конденсации покрытий из плазмы вакуумной дуги
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
publishDate	2009
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7972
citation_txt	О характере влияния различных газов на процесс конденсации покрытий из плазмы вакуумной дуги / В.М. Хороших, С.А. Леонов // Физическая инженерия поверхности. — 2009. — Т. 7, № 3. — С. 268-272. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT horošihvm oharakterevliâniârazličnyhgazovnaprocesskondensaciipokrytijizplazmyvakuumnojdugi AT leonovsa oharakterevliâniârazličnyhgazovnaprocesskondensaciipokrytijizplazmyvakuumnojdugi
first_indexed	2025-07-02T10:44:28Z
last_indexed	2025-07-02T10:44:28Z
_version_	1836531653104631808
fulltext	ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3268 Процесс получения покрытий из плазмы вакуумной дуги, уже более тридцати лет, ис- пользуют для упрочнения деталей машин и режущего инструмента [1]. Чаще всего такие покрытия получают при наличии газа в объе- ме разрядного промежутка. В присутствии активных газов получают покрытия на основе химических соединений, а добавление аргона в рабочий объем позволяет существенно по- высить стабильность горения разряда. Изу- чению особенностей методов получения ду- говых покрытий при осаждении газо-метал- лической плазмы посвящены многочислен- ные работы, направленные на исследование свойств осаждаемых плазменных потоков и структурных особенностей получаемых кон- денсатов. Большая часть публикаций, посвященных изучению плазменных, потоков выполнена для диапазона давлений рабочего газа ∼ 0,001 ÷ 1 Па. В работах [2, 3], исследуется влияние геометрии подложек и взаимосвязь между свойствами плазмы и особенностями процес- са конденсации на объектах малых (порядка УДК 537.525.5 О ХАРАКТЕРЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ГАЗОВ НА ПРОЦЕСС КОНДЕНСАЦИИ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПЛАЗМЫ ВАКУУМНОЙ ДУГИ В.М. Хороших, С.А. Леонов Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий ННЦ ХФТ( Харьков) Украина Поступила в редакцию 12.09.2009 Изучено влияние давления аргона, кислорода и азота на скорость конденсации потоков плазмы вакуумной дуги. Для аргона основным процессом, определяющим характер зависимости ско- рости осаждения от давления газа, является упругое рассеяние частиц металла на атомах газа. Для кислорода наряду с упругим рассеянием на характер данных зависимостей может оказывать химическая сорбция кислорода пленкой титана. При давлении азота 1,5 ÷ 5 Па происходит увеличение скорости осаждения покрытий, существенным образом зависящее от размеров подложки. Повышение скорости осаждения в азоте в области давлений 1,5 ÷ 5 Па может быть связано с появлением в объеме разрядной камеры возбужденных частиц обладающих по- вышенной рассеивающей способностью. Ключевые слова: скорость конденсации, давление газа, упругое рассеяние, скорость осаждения, химическая сорбция. Вивчений вплив тиску аргону, кисню і азоту на швидкість конденсації потоків плазми вакуумної дуги. Для аргону основним процесом, що визначає характер залежності швидкості осадження від тиску газу, є пружне розсіяння частинок металу на атомах газу. Для кисню разом з пружним розсіянням на характер даних залежностей може надавати хімічна сорбція кисню плівкою титану. При тиску азоту 1,5 ÷ 5 Па відбувається збільшення швидкості осадження покриттів, істотним чином залежне від розмірів підкладки. Підвищення швидкості осадження в азоті в області тиску 1,5 ÷ 5 Па може бути пов’язані з появою в об’ємі розрядної камери збуджених частинок тих, що володіють підвищеною розсіюючою здатністю. Ключові слова: швидкість конденсації, тиск газу, пружнє розсіювання, швидкість осадження, хімічна сорбція. Influencing of pressure for argon, oxygen and nitrogen is studied, on deposition rate s of vacuum arc plasma streams. For argon a basic process, determining character of deposition rate, is resilient dis- persion of metal particles on the atoms of gas. For oxygen along with resilient dispersion on charac- ter of these dependences chemical sorption of oxygen can render by of titanium film. At pressure of nitrogen 1,5 ÷ 5 Pa take place multiplying of deposition rate, by substantial appearance depending on the substrate sizes. Increase of deposition rate in nitrogen in range of pressures 1,5 ÷ 5 Pa can be re- lated to appearance in the volume of discharge chamber of the excited particles of possessing the promoted dispersive abilіty. Keywords: condensation rate, gas pressure, elastic scattering, deposition rate, chemical sorption. ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3 269 толщины слоя объемного заряда) размеров при давлении азота или аргона ∼ 0,01 ÷ 10 Па. Установлено, что на проволочных образцах диаметром 0,6 мм при давлении азота ∼ 2 Па и потенциале – 350 В наблюдается резкое увеличение скорости осаждения покрытия. В указанных работах данный эффект объясня- ется потерей направленности и уменьшением энергии ионов плазмы потока с ростом дав- ления газа. В хаотизированном потоке ско- рость конденсации определяется отбором частиц на границе плазма-подложка (закон Чайльда-Лэнгмюра). Уменьшение энергии ионов за счет столкновений с частицами газа улучшает условия их отбора поверхностью, находящейся под отрицательным потенциа- лом, и ведет к росту скорости осаждения по- крытий. Несколько меньшее повышение ско- рости осаждения, наблюдаемое для дисковых образцов диаметром 30 мм, объясняется влия- нием краевых эффектов, т.е. захватом час- тиц боковой поверхностью диска толщиной 0,5 мм. Для аргона с ростом давления наблю- дается монотонное уменьшение скорости осаждения для проволок и лицевой поверх- ности диска. Отсутствие роста скорости осаждения при увеличении давления газа связывали с высокой распыляющей способ- ностью аргона. При этом эффект снижения энергии ионов титана, приводящий к росту захвата частиц поверхностью образца ком- пенсировался увеличением скорости распы- ления (потенциал подложек – 100 В), обу- словленной увеличением содержания ионов аргона в плазме при росте его давления. Целью данной работы, которая продол- жает ранее начатые исследования [2, 3], явля- ется более детальное изучение отличий в ха- рактере влияния рода газа на процесс осаж- дения покрытий, а также изучение влияния размера подложки на скорость осаждения по- крытий. Эксперименты по получению покрытий проводили на ионно-плазменной установке, снабженной источником плазмы с фокуси- ровкой плазменного потока, используемой в работах [2, 3]. В качестве катодного материа- ла использовали титан марки ВТ-1. Диаметр катода – 60 мм. Анод, диаметром 180 мм и длиной 200 мм, был изготовлен из нержавею- щей стали. Индукция магнитного поля, соз- даваемого стабилизирующей магнитной ка- тушкой составляла 15 мТ, а фокусирующим соленоидом – 6 мТ. Ток дугового разряда в источнике плазмы был равен 100 А. Анод ис- точника плазмы пристыкововали к фланцу цилиндрической вакуумной камеры диамет- ром и длиной 500 мм. Рис. 1. Зависимости скорости осаждения на лицевую (1) и обратную (2) поверхность диска от давления аргона, кислорода и азота. В.М. ХОРОШИХ, С.А. ЛЕОНОВ ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3270 Исследовали влияние давления азота и ар- гона на скорость осаждения покрытий для дисков диаметром 30 мм и толщиной 0,5 мм. Материал подложек сталь Ст. 3. Для оценки скорости конденсации на обратную сторону дисковых подложек использовали два диска, плотно прижатых друг к другу [2]. Скорость конденсации в граммах на еди- ницу поверхности в единицу времени оцени- вали по привесу материала, конденсируемого на образцах за время 30 мин. Кроме весовых измерений для дисков раз- личного диаметра (15, 25, 45, 60 и 120 мм) с помощью интерференционного микроскопа МИИ-4 по методу “теневых ножей” исследо- вали скорость осаждения TiN покрытий в центре дисков различного диаметра. Зависимости скорости конденсации тита- на, осаждаемого на диски диаметром 30 мм в присутствии аргона, кислорода и азота, представлены на рис. 1. Измерения прово- дили при плавающем потенциале образцов. При росте давления аргона наблюдается монотонное уменьшение скорости осаждения на лицевой поверхности и небольшой мак- симум при давлении ∼ 1 Па для обратной по- верхности дискового образца. Для кислорода характер зависимостей скорости осаждения от давления в области давлений более 0,2 Па аналогичен зависимостям, получаемым для аргона. Повышение скорости осаждения, на- блюдаемое в области давлений ∼ 0,01 ÷ 0,2 Па также как и в случае измерений в азоте, свя- зано с повышением коэффициента конден- сации для покрытий, состоящих из химичес- ких соединений, и захватом металлической пленкой частиц газа [4]. Снижение скорости осаждения на лицевую поверхность образ- цов при дальнейшем росте давления кисло- рода, также как и для аргона во всем исследу- емом диапазоне давлений связано с упругим рассеянием ионов и нейтральных атомов ме- талла на частицах газа. Рассеяние частиц ме- талла в газе объясняет, очевидно, наличие пленки на обратной поверхности образцов, обрабатываемых в кислороде и аргоне, при давлении ∼ 0,1 ÷ 4 Па. Характер кривых Ек (р) ( здесь Ек – ско- рость осаждения, а р – давление газа) для азо- та, как для лицевой, так и для обратной поверхности диска, в области давлений ∼ 2 ÷ 10 Па существенно отличается от аналогич- ных зависимостей для аргона и кислорода. При таких давлениях в азоте наблюдается резкое возрастание скорости осаждения пле- нки на обе поверхности диска. Зависимость плотности ионного тока от давления азота, полученная в работе [2] с помощью плоского одиночного зонда, свидетельствует о том, что плотность тока при давлении, соответст- вующем максимуму кривой Ек (р) примерно на порядок меньше его значения в высоком (∼ 10–3 Па) вакууме. Данное обстоятельство позволяет сделать заключение о том, что на- блюдаемый рост скорости осаждения связан с относительном увеличением потока нейт- ральных частиц на поверхность конденсации. Скорость генерации частиц на катоде ду- гового разряда при указанных давлениях азота уменьшается с ростом его давления [5]. Следовательно, очевидно, что рост величины Ек связан с уменьшением радиальных диф- фузионных потоков нейтральных атомов ти- тана при соответствующем повышении кон- центрации данных частиц в приосевой облас- ти разряда. Газодинамические сечения столкновения молекул для исследованных газов достаточно близки и составляют 3,5; 4,05, и 4,2⋅10–15 см2 для аргона, кислорода и азота, соответствен- но [6]. Также близки сечения упругого рассея- ния частиц металла на газовых молекулах [7]. В связи с этим, одним из вероятных процес- сом, который, на наш взгляд, может привести к уменьшению радиальных диффузионных потоков нейтральных атомов титана, может быть процесс возбуждения молекул N2 при их столкновениях с ионами и электронами плазмы. Если допустить, что сечение упругого рассеяния атомов титана на возбужденных молекулах азота существенно превышает его значение для нейтральных частиц [8], а повышенная концентрация возбужденных молекул азота наблюдается в области больших углов к оси разряда, то в этом случае следует ожидать уменьшение ра- диальной диффузии, что приведет к повыше- нию концентрации частиц металла на оси разряда. Неоднородность углового распреде- ления частиц возбужденного азота может О ХАРАКТЕРЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ГАЗОВ НА ПРОЦЕСС КОНДЕНСАЦИИ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПЛАЗМЫ ВАКУУМНОЙ ДУГИ ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3 271 быть связана с пространственной неоднород- ностью состава плазмы вакуумной дуги. Так, пространственные распределения ионов су- щественно отличаются для частиц различной кратности заряда. Кроме того, от угла к оси разряда зависят температура электронов и энергия ионов [4]. Повышение концентрации нейтральных атомов металла в приосевой области разряда приводит к повышению скорости осаждения покрытий на основе соединений титана с азо- том. Отметим, что при давлении азота >1,5Па в течение часа горения дуги не наблюдается запыления смотровых окон вакуумной каме- ры, расположенных на ее боковой цилиндри- ческой поверхности. Для аргона и кислорода при любых используемых давлениях газа, а также для титана, при его давлении <1 Па, запыление смотровых окон происходит через 10 минут горения дуги. Предварительные исследования, прове- денные для катодов, изготовленных из меди, алюминия и циркония, показали, что для дан- ных металлов наблюдается приблизительно двукратное увеличение скорости осаждения покрытий в диапазоне давлений азота ∼ 2 ÷ 10 Па. Наличие дополнительных элементов конструкции установки, находящихся в объе- ме разряда оказывает влияние на характер движения радиальных диффузионных пото- ков, в связи, с чем в области давлений азота более 1,5 Па, скорость осаждения покрытий существенным образом зависит от диаметра дисковой подложки (рис. 2). С ростом диаметра подложки происходит уменьшение скорости осаждения покрытий, связанное с экранировкой отражаемых час- тиц подложкой. В случая использования под- ложек большого диаметра (>50 мм) конден- сация покрытия на обратную поверхность диска практически прекращается, а на ли- цевой поверхности скорость осаждения по- крытия уменьшается вдвое. То обстоятельст- во, что в большинстве случаях используются подложки больших размеров, не позволяло наблюдать эффект повышения скорости осаждения металла при указанных давлениях азота другими авторами (см. например [9]). Исключение составляет работа [10], в кото- рой исследовали процесс осаждения титан- алюминиевого сплава испаряемого вакуум- ной дугой в азоте. В качестве образцов ис- пользовали металлические диски диаметром 27 и толщиной 10 мм. При этом наблюдался заметный рост скорости осаждения при дав- лении азота 0,8 ÷ 3 Па. Этот эффект авторы данной работы объясняют уменьшением энергии ионов металла при столкновениях с молекулами газа. В этом случае снижается вклад процесса распыления конденсирую- щейся пленки ионами, поступающего на по- верхность образцов, находящихся под отри- цательным потенциалом 100 В. Влияние гео- метрии подложки и рода газа в данной роботе не исследовалось. Таким образом, в результате проведенных экспериментов установлено: 1. Характер влияния давления газа на ско- рость осаждения покрытий, получаемых осаждением потоков плазмы вакуумной дуги, отличается для различных газов. 2. Для аргона основным процессом, опре- деляющим характер зависимости скорос- ти осаждения от давления газа, является упругое рассеяние частиц металла на ато- мах газа. 3. Для кислорода наряду с упругим рассея- нием на характер данных зависимостей может оказывать химическая сорбция Рис. 2. Зависимость скорости осаждения в центре дис- ка на его лицевую (1) и обратную (2) поверхность для дисков различных диаметров. Давление азота 5 Па. В.М. ХОРОШИХ, С.А. ЛЕОНОВ ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 3, vol. 7, No. 3272 кислорода пленкой титана, приводящая к росту скорости осаждения на лицевую поверхность образцов при давлениях ~0,01 ÷ 0,2 Па. 4. При давлении азота 1,5 ÷ 5 Па происходит увеличение скорости осаждения покры- тий, существенным образом зависящее от размеров подложки. 5. Повышение скорости осаждения в азоте в области давлений 1,5 ÷ 5 Па может быть связано с появлением в объеме разрядной камеры возбужденных частиц обладаю- щих повышенной рассеивающей способ- ностью. ЛИТЕРАТУРА 1. Аксенов И.И., Андреев А.А., Романов А.А., Падалка В.Г., Толок В.Т., Хороших В.М. и др. Покрытия, полученные конденсацией плаз- менных потоков в вакууме (способ конден- сации с ионной бомбардировкой)//УФЖ. – 1979. – Т.24, № 4. – С. 515-525. 2. Хороших В.М., Леонов С.А., Белоус В.А. Вли- яние геометрии подложки на процесс конден- сации ионно-плазменных покрытий//Вопро- сы атомной науки и техники. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17). – 2008. – № 1. – С. 72-76. 3. Хороших В.М., Леонов С.А., Белоус В.А., Но- сов Г.И., Куриленко Г.Н. Параметры плазмы вакуумной дуги и особенности процесса по- лучения TiN покрытий на изделиях малых размеров. Вестник Харьковского университе- та, серия физическая “Ядра, частицы, поля”. – 2007 – № 784, Вып. 4 (36). – С. 108-112. 4. Хороших В.М. Плазма вакуумной дуги в при- сутствие газа в разрядном промежутке//Физи- ческая инженерия поверхности. – 2005. – Т. 3, № 1-2. – С. 82-96. 5. Хороших В.М. Эрозия катода и расход массы катодного материала в стационарной дуге низкого давления//Физическая инженерия поверхности.– 2004. – Т. 2, № 4. – С. 184-199. 6. Энгель А. Ионизованные газы. – М.: Физмат- гиз, 1959. 7. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. Учеб. руководство. – М.: Наука, 1987. – 592 с. 8. Словецкий Д.И. Механизмы химических ре- акций в неравновесной плазме. – М.: Наука, 1980. – 310 с. 9. Lousa A., Esteve J., Mejia J.P., Devia A. Influen- ce of deposition pressure on the structural mесha- nical and decorative propetires of TiN films de- posited by cathodic arc evoparation//Vacuum. – 2007. – Vol. 81. – P. 1507-1510. 10. Bujak J., Walkowicz J., Kusinski J. Influence of the nitrogen pressure on the structure and pro- perties of (Ti, Al)N coatings deposited by ca- thodic vacuum arc PVD process//Surface and Coating Technology. – 2004. – Vol. 180-181. – P. 150-157.  В.М. Хороших, С.А. Леонов, 2009. О ХАРАКТЕРЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ГАЗОВ НА ПРОЦЕСС КОНДЕНСАЦИИ ПОКРЫТИЙ ИЗ ПЛАЗМЫ ВАКУУМНОЙ ДУГИ

О характере влияния различных газов на процесс конденсации покрытий из плазмы вакуумной дуги

Репозитарії

Схожі ресурси