18 Нанесение покрытий в вакууме
Процесс нанесения вакуумных покрытий предполагает реализацию следующих основных стадий:
– образование газовой фазы (генерация паров, летучих продуктов);
– перенос атомов, частиц вещества от источника газовой фазы до покрываемой поверхности;
– взаимодействие частиц газовой фазы с поверхностью и образование покрытия.
Все известные методы нанесения покрытий отличаются способами генерации газовой фазы, режимами и условиями массопереноса и пленкообразования. Необходимым условием получения качественных покрытий является создание в рабочей камере высокого вакуума, что позволяет:
1. Исключить процесс окисления при нагреве металла до высоких температур.
2. Исключить химическое взаимодействие атомов паровой фазы с молекулами остаточных газов. Это реализуется при условии λ>d,
где λ – длина свободного пробега; λ=1/( √2nσn); d – характерный размер вакуумной камеры; σ – площадь сечения взаимодействия; n – концентрация атомов в газовой фазе.
Давление паров в вакуумной камере p и их концентрация связаны соотношением p=nkT. Тогда получим следующее выражение для длины свободного пробега:
λ=(kT)/( √2nσp).
Оценки показывают, что при давлении в камере Р ~ 10-2 Па длина свободного пробега λ= 0,5 м, что соответствует характерному размеру вакуумной камеры.
3. Благодаря вакууму устраняется теплообмен за счет теплопроводности газов и конвекции.
4. Использование вакуума позволяет производить высокоэффективную очистку поверхности, удалять адсорбированные газовые слои. Основные методы очистки поверхности заключаются в ее нагреве до температуры 250…300 °С, при которой происходит удаление адсорбированных молекул влаги, органических загрязнений и т. д, и ионной обработке поверхности.
При вакуумном нанесении покрытия предъявляются следующие требования к материалу подложек, на поверхности которых оно формируется:
1. Подложка в процессе нанесения покрытия не должна выделять в вакууме летучие продукты. Часто при металлизации, в частности, полимерных материалов для уменьшения газовыделения поверхность подложки покрывают антидиффузионным слоем, который препятствует выделению летучих материалов в вакуум из объема материала.
2. Сохранение размеров и геометрической формы при тепловом воздействии, которое имеет место при формировании покрытия. Данное условие особенно важно для материала подложки, имеющей низкую термостойкость.
В
условиях вакуума, когда выполняется
требование
,
атомные потоки, исходящие из зоны
парообразования, распространяются
прямолинейно и удовлетворяют двум
законам Ламберта.
Первый
закон Ламберта: интенсивность
испускаемых под углом φ к поверхности
парообразования атомных частиц
пропорциональна cosφ
(jφ
~ cosφ,
где φ– угол между направлением
распространения частиц и нормалью к
поверхности порообразования
(рисунок 1)).
Рисунок 1 –
Пространственное распределение
испаренных частиц
Второй закон Ламберта: плотность потоков атомов обратно пропорциональна квадрату расстояния от зоны генерации паров до точки, в которой регистрируется плотность потока.
По определению, плотность потока атомов j= N/(St) (N–количество атомов, поступающих на нормально расположенную поверхность площадью S за время t). Тогда на основании второго закона Ламберта получим
N/(St) ~ 1/r2.
На основании данных законов предоставляется возможность расчета толщины наносимых покрытий, определения оптимальных конструкционных параметров вакуумных установок.