Способ нанесения углеродного защитного покрытия

 

Изобретение относится к области нанесения защитных покрытий на металлические и неметаллические поверхности. Сущность изобретения: способ включает нанесение углеродного защитного, изоструктурного алмазу подслоя толщиной 10-20 нм и последующее нанесение углеродной алмазоподобной пленки до образования покрытия толщиной более 100 нм.

Изобретение относится к области нанесения защитных покрытий на металлические и неметаллические поверхности.

Предлагаемая область наиболее вероятного использования технологическая обработка поверхностей деталей и узлов технических систем, работающих в условиях коррозионно-активной среды.

Традиционные способы антикоррозионной защиты поверхности твердого тела заключается в нанесении коррозионностойких газо- и влагонепроницаемых защитных покрытий из металлов или диэлектриков. Такие защитные покрытия должны удовлетворять одновременно нескольким требованиям, а именно обладать высокой химической и термической стойкостью, механической прочностью.

Всем этим условиям удовлетворяют углеродные алмазоподобные поликристаллические защитные пленки [1,2] образующие при осаждении ионов углерода (полученных, например, при разложении газообразных углеводородов в электрическом разряде) на защищаемую поверхность.

Признаки аналогов, совпадающие с заявляемым способом: очистка поверхности перед нанесением покрытия; нанесение углеродного поликристаллического защитного покрытия.

Главный недостаток аналогов невозможность нанесения алмазоподобных углеродных пленок на материалы с кристаллическими решетками некубической симметрии [1] что не позволяет достичь требуемого технического результата.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ нанесения защитных покрытий (а. с. СССР N 314528, МКИ C 23 C 16/04, рассекречено до грифа "несекретно" 01.04.92, исх. в/ч 51105 от 13.06.92 г. N 1100), в котором подложка сначала очищается каким-либо способом (например, ионным травлением), затем на подложку наносят подслой, изоструктурный алмазу, толщиной 10-20 нм, после чего наносят углеродную алмазоподобную пленку путем разложения несимметричных углеводородов в поле СВЧ-разряда на частоте резонансного поглощения водородов до получения пленки толщиной более 100 нм.

Признаки способа-прототипа, совпадающие с заявляемым способом: очистка защищаемой поверхности (например, ионным травлением); нанесение подслоя, изоструктурного алмазу, толщиной более 10 нм; нанесение углеродной алмазоподобной поликристаллической защитной пленки толщиной более 100 нм.

Основным недостатком данного способа является то, что он пригоден не для всех типов защищаемых изделий, поскольку среди них могут оказаться детали и радиокомпоненты, выходящие из строя в поле СВЧ-разряда (например, полевые транзисторы).

Другой недостаток прототипа состоит в том, что использование несимметричных углеводородов с большим дипольным моментом в качестве углеводородного сырья для получения защитного покрытия за счет разложения в поле СВЧ-разряда на резонансной частоте требует жесткого контроля за параметрами технологического процесса нанесения углеродной пленки.

Третий существенный недостаток способа-прототипа заключается в том, что толщина переходного слоя между изоструктурным алмазу подслоем и алмазоподобной пленкой сравнительно невелика (1-2 нм), что заметно ухудшает адгезию защитной пленки, ведет к снижению термической стойкости и механической прочности защитного покрытия, т.е. не позволяет достичь требуемого технического результата.

Предлагаемый способ нанесения углеродного защитного покрытия позволяет решить задачу антикоррозионной защиты поверхности, придания ей антифрикционных и гидрофобных свойств. Основной технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого способа, заключается в улучшении адгезии защитного покрытия, повышении его термической стойкости и механической прочности.

Сущность предлагаемого способа заключена в совокупности следующих операций: очистка защищаемой поверхности; нанесение на защищаемую поверхность изоструктурного алмазу подслоя толщиной более 10 нм; одновременное с нанесением изоструктурного алмазу подслоя (по достижении им толщины более 10 нм) нанесение углеродной алмазоподобной поликристаллической пленки до образования переходного слоя смешанного состава толщиной более 10 нм; прекращение нанесения подслоя и непрерывное продолжение нанесения алмазоподобной углеродной поликристаллической пленки до образования защитного покрытия толщиной более 100 нм.

Признак, отличающийся от прототипа:
одновременное с нанесением изоструктурного алмазу подслоя (по достижении им толщины более 10 нм) нанесение углеродной алмазоподобной поликристаллической пленки до образования переходного слоя смешанного состава толщиной более 10 нм.

Выполнение этой операции при реализации предлагаемого способа позволяет, по сравнению с прототипом, улучшить адгезию покрытия к защищаемой поверхности, повысить его термомеханические характеристики и добиться получения требуемого технического результата.

Остановимся более подробно на содержательной части операций предлагаемого способа. Очистка поверхности означает удаление поверхностных загрязнений и переходных слоев, возникающих в результате взаимодействия защищаемой поверхности с окружающей средой. Макроскопические поверхностные загрязнения могут быть удалены с помощью химических растворителей или ультразвуковой очистки. Приповерхностные слои с нарушенной кристаллической структурой могут быть удалены, например, электроннолучевым или ионным травлением поверхности. Операция травления проводится в вакуумной камере, в этой же камере будет осуществляться нанесение переходного слоя смешанного состава и углеродной алмазоподобной пленки.

Верхний и нижний пределы толщины переходного слоя выбираются, исходя из требований минимизации влияния параметров кристаллической решетки исходного материала на соответствующие параметры промежуточного слоя, с одной стороны, и минимальности толщины промежуточного слоя, с другой стороны.

Тонкая пленка, выращиваемая на поверхности твердых тел, имеет сильно деформированную кристаллическую решетку, причем этот эффект наблюдается на толщинах 10-20 периодов решетки, т.е. ≈ 5-10 нм. При дальнейшем росте пленки ее структура совпадает с кристаллической структурой макрообразца из вещества этой пленки. По данным [3] соответствующие пределы лежат в диапазоне 10-20 нм. Тонкопленочные слои с переменным составом по толщине используются при изготовлении полупроводниковых лазеров на гетероструктурных [4] при этом наряду с основным техническим результатом, заключающимся в создании определенного пространственного распределения легирующих добавок, достигается и побочный технический результат повышается термическая прочность гетероструктуры по сравнению с лазером, имеющим явно выраженные межслоевые границы. Следует учесть, что даже в вакууме ≈ 10^-3 10^-4 Торр происходит достаточно быстрое ( τ ≈ 1c) загрязнение поверхности различными веществами, пары которых присутствуют в вакуумном объеме, что приводит к ухудшению адгезионных характеристик и снижению термомеханической прочности наносимой пленки.

Защищаемую деталь помещают в вакуумную камеру с системой электродов, откачивают воздух до p ≈ 10^-4 10^-5 Торр, напускают углекислоту CO₂ (p ≈ 10^-3 10^-4 Торр), инициируют и поддерживают постоянный тлеющий разряд в течение 15-20 мин для очистки защищаемой поверхности от загрязнений, затем вновь откачивают камеру и напускают силан SiH₄ (p ≈ 10^-3 10^-4 Торр), инициируют и поддерживают постоянный тлеющий разряд в течение 5-10 мин до образования подслоя кремния толщиной ≈ 10 нм. Затем начинают откачку вакуумного объема и одновременный напуск газовой смеси C₂H₂ CO₂ (50-50%об.), газовый разряд поддерживают в течение всего процесса откачки силана из вакуумной камеры. При этом образуется переходной слой смешанного состава Si-C. Увеличение давления смеси C₂H₂-CO₂ до 10^-3 Торр приведет к уменьшению содержания Si в защитном слое до уровня < 0,1% процесс роста углеродной защитной пленки происходит непрерывно до образования слоя толщиной более 100 нм.

Параметры пленок, полученных в постоянном тлеющем разряде, приведены в [2] (p ≈ 10¹⁰-10¹² Ом х см; пленки сохраняют стабильность и целостность покрытия в вакууме до 500^oС, на воздухе до 400^oС; устойчивы к воздействию кислот и органических растворителей; твердость по Кнупу 1200-3000 кГ/мм²).

Таким образом, непрерывность процессов нанесения изоструктурного подслоя, подслоя смешанного состава и основного защитного слоя позволяет исключить адсорбцию примесных веществ на ростовой поверхности, что повышает адгезионные, термомеханические характеристики покрытия и обеспечивает достижение требуемого технического результата.

Л И Т Е Р А Т У Р А
[1] Zheng H. N. Mori T. Namba Y. J.Vac.Soc.Jap. 1983, V.26, N 7, P. 622-627.

[2] Nir D. Kalich R. Lewin G. Thin Solid Films 1984, V. 117, N 2, P. 125-130.

[3] Технология тонких пленок, т. 2 (Спр. под ред. Л.Майселла, Р.Глэнга М. "Сoв. радио", 1977, 768 с.

[4] Звелто О. Принципы лазеров. М. Мир, 1984, 395 с.

Формула изобретения

Способ нанесения углеродного защитного покрытия, включающий очистку защищаемой поверхности, нанесение подслоя, изоструктурного алмазу, толщиной 10-20 нм и последующее нанесение углеродной алмазоподобной пленки до образования защитного покрытия толщиной более 100 нм, отличающийся тем, что входе нанесения подслоя, изоструктурного алмазу, по достижении им толщины более 10 нм одновременно с нанесением подслоя наносят углеродную поликристаллическую алмазоподобную пленку до образования переходного слоя смешанного состава толщиной более 10 нм и продолжают наносить углеродную поликристаллическую алмазоподобную пленку до образования защитного покрытия толщиной более 100 нм.