Способ получения бериллиевой и бериллийсодержащей фольги

 

Изобретение относится к области изготовления самонесущих тонких пленок - фольг, используемых для окон при регистрации низкоэнергетических излучений, и может быть использовано в прикладной физике, при обработке металлов и в других отраслях промышленности. Способ включает нанесение на подготовленную подложку слоя, препятствующего диффузии материала фольги в подложку, последующее многостадийное осаждение слоев материала фольги и отделение полученной фольги от подложки. Слои формируют осаждением материала, полученного магнетронным распылением мишени, путем повторяющихся перемещений поверхности подложки и/или по меньшей мере одного потока плазмы относительно друг друга со скоростью, обеспечивающей рост кристаллов материала слоя, наклонно ориентированных к плоскости подложки, а для образования плазмы используют инертный газ с содержанием примесей, суммарное парциальное давление которых менее 1•10^-5 Па. Изобретение позволяет повысить качество фольги. 4 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

Изобретение относится к области изготовления самонесущих тонких пленок, в частности к способам получения бериллиевой и бериллийсодержащей фольги, используемых для окон при регистрации низкоэнергетических излучений, и может найти применение в прикладной физике, при обработке металлов и в других отраслях промышленности.

Существующая в настоящее время технология изготовления бериллиевых фольг обработкой давлением металла в пакетах при высокой температуре и низком парциальном давлении кислорода позволяет получить изделия толщиной до 50 мкм. Процессу свойственны высокие трудозатраты, а хрупкость материала и локальная пористость фольги значительно снижают качество и выход годного при ее производстве.

Известен способ изготовления тонкой бериллиевой фольги (RU 2036244, кл. С 23 С 14/22, 1995), включающий многостадийное осаждение паров бериллия на подложку, отделение конденсата и последующую термообработку, в котором после осаждения паров бериллия толщиной 0,5-5 мкм проводят осаждение слоя оксида бериллия толщиной 2-10 нм с последующим многократным повторением этого цикла при количестве слоев бериллия не менее пяти. Получение фольги путем конденсации паров бериллия позволяет снизить трудозатраты, уменьшить толщину, а послойное формирование - несколько уменьшить пористость фольги, но присутствие в ней оксида бериллия снижает прочностные характеристики и тем самым качество фольги в целом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ получения тонких самоподдерживающихся пленок (RU 2040589, кл. С 23 С 14/00, 14/24, 1995) для ядерно-физических исследований из бериллия и других элементов, включающий химическую очистку подложки, осаждение на подложку термическим испарением в вакууме слоя хлорида натрия и пленки заданного материала и отделение пленки от подложки, в котором перед осаждением слоя хлорида натрия осуществляют очистку подложки в тлеющем разряде, испарение материала осуществляют в импульсном режиме для бериллия при температуре испарителя 1923-2100 К, длительность импульсов и промежуток между ними поддерживают равными 3-4 с и 8-10 с, осаждение пленки осуществляют со скоростью 2,0-9,57, мкг•см^-2•с^-1. Очистку в тлеющем разряде осуществляют в вакууме 0,133-0,266 Па при напряжении 1-3 кВ в течение 3-5 мин.

Недостатками способа является получение пленок с относительно рыхлой структурой, являющейся следствием энергетических условий формирования кристаллов пленки из паровой фазы, что влечет за собой низкие прочностные характеристики, высокую газопроницаемость и микрошероховатость поверхности. Качество пленки, полученной таким образом, недостаточно для использования ее при изготовлении окон для низкоэнергетических излучений.

Технический результат изобретения заключается в повышении качества получаемой бериллиевой и бериллийсодержащей фольги.

Указанный результат достигается в предлагаемом способе получения бериллиевой и бериллийсодержащей фольги, включающем нанесение на подготовленную поверхность подложки подслоя, препятствующего диффузии материала фольги в подложку, последующее осаждение слоев материала фольги на подложку и отделение полученной фольги от подложки, в котором слои формируют осаждением материала, полученного магнетронным распылением мишени, путем повторяющихся перемещений поверхности подложки и/или по меньшей мере одного потока плазмы относительно друг друга со скоростью, обеспечивающей рост кристаллов материала слоя, ориентированных наклонно к плоскости подложки, при этом для образования плазмы используют инертный газ с содержанием примесей, суммарное парциальное давление которых менее 1•10^-5 Па. При получении бериллиевой фольги толщина одного слоя осажденного бериллия не превышает 5 нм. Разность потенциалов между мишенью и подложкой на расстоянии от подложки, равном или меньшем половины расстояния от мишени до подложки, равна нулю. Поверхность фольги после отделения от подложки подвергают очистке от материала подслоя. Фольгу после отделения от подложки подвергают термообработке при давлении, не превышающем 1•10^-3 Па.

Формирование фольги осаждением магнетронно распыленных и обладающих в связи с этим высокой энергией частиц или групп атомов металлов определяет рост кристаллов и структуру, которые повышают прочностные характеристики и качество изделия. Перемещением подложки и/или потока или нескольких потоков плазмы относительно друг друга осуществляют послойное формирование фольги, при котором дефекты каждого предыдущего слоя перекрываются последующим, что снижает ее газопроницаемость. Перемещение проводят со скоростью, которая обеспечивает рост кристаллов материала слоя, наклонно ориентированных к плоскости подложки, и соответствующую структуру фольги, что позволяет увеличить прочностные характеристики. При одновременном распылении компонентов и указанном выше перемещении повышается равномерность распределения составляющих фольги и соответственно однородность состава.

Использование в качестве плазмообразующего инертного газа с незначительным содержанием примесей, суммарное парциальное давление которых меньше чем 1•10^-5 Па практически предотвращает образование продуктов взаимодействия распыленного бериллия с активными компонентами газовой фазы и внедрение их в материал фольги, что заметно снижает ее хрупкость.

Увеличение прочности, снижение газопроницаемости, однородность состава и снижение хрупкости фольги в значительной степени повышают качество бериллиевой и бериллийсодержащей фольги, полученной по предлагаемому способу.

Ограничение толщины одного слоя при формировании фольги из бериллия не более 5 нм позволяет создать пленку, состоящую из весьма большого количества слоев (при толщине фольги 30 мкм более чем 6•10³ слоев), что положительно сказывается на ее прочностных характеристиках.

Поддержание разности потенциалов между мишенью и подложкой на расстоянии от подложки, равном или меньшем половины расстояния от мишени до подложки, равной нулю, препятствует образованию электрических разрядов между формируемой фольгой и мишенью из распыляемого металла, являющихся разноименными электродами, влекущих за собой образование микроотверстий в фольге.

Для последующего использования фольги после отделения ее от подложки проводят очистку поверхности фольги от остатков материала подслоя. Кроме того, в случае последующей термообработки фольги очистка предотвращает образование соединений материала подслоя с бериллием, ухудшающих прочность фольги.

При необходимости проведения термообработки фольги после отделения от подложки процесс осуществляют в вакууме при давлении менее 1•10^-3 Па. Это позволяет поддерживать возможный процесс образования соединений бериллия с компонентами газовой фазы на уровне, при котором образующиеся соединения не снижают качество фольги.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет значительно повысить качество и расширить ассортимент фольги, получаемой из бериллия и имеющей его в своем составе, о чем свидетельствуют приведенные ниже результаты испытаний технологии, выполненные на установке, снабженной двумя магнетронами постоянного тока и устройством для перемещения подложки, системой глубокой очистки, регулировки и стабилизации подачи инертного газа. Возможна переналадка установки с организацией перемещения магнетронов (потоков плазмы) относительно устройства для перемещения подложки.

Пример 1. Изготовление фольги бериллия осуществляли распылением одной мишени из высокочистого бериллия и осаждением его на полированную подложку с подслоем хлорида натрия, полученного осаждением магнетронно распыленного материала. Подложку при нанесении подслоя хлорида натрия и формировании слоев фольги перемещали относительно потока плазмы со скоростью 0,15 м•с^-1, количество перемещений подложки относительно потока плазмы при нанесении подслоя хлорида натрия составило 6•10², бериллия - 3,6•10⁴ раз. Осаждение бериллия осуществляли слоями толщиной около 1 нм при расстоянии от мишени до подложки 30 мм. В качестве плазмообразующего газа использовали аргон, прошедший глубокую очистку при распылении геттера - титана, с суммарным парциальным давлением примесных газов 8•10^-6 - 5•10^-6 Па. Между мишенью из бериллия и подложкой на расстоянии 10 мм от подложки был установлен электрод, минимально задерживающий плазменный поток, с потенциалом подложки (разность потенциалов равна нулю), что исключало возможные пробои фольги электрическими разрядами. После завершения процесса осаждения бериллия, разгерметизации вакуумного объема и разборки оснастки, удерживающей подложку, происходило самопроизвольное отслаивание сформированной фольги. Хлорид натрия при этом распределялся между поверхностью фольги и подложки. Очистку фольги от хлорида натрия производили растворением с последующей обработкой этиловым спиртом. Термообработку очищенной фольги вели при 500±20^oС и давлении менее 1•10^-3 Па. В результате получена вакуум-плотная с зеркальной поверхностью фольга в форме круга толщиной 35 мкм и диаметром 30 мм. Наклонная ориентация микрокристаллов фольги к плоскости подложки подтверждена данными рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии на фиг.1, где приведено сечение фольги при увеличении в 4000 раз. Прочностные характеристики оценивали по испытанию на изгиб. Полученная фольга выдерживает без разрушения изгиб на 90-130^o при радиусе кривизны, равном 5 мм, что, учитывая высокую хрупкость бериллия, свидетельствует о ее качестве. Фольга с аналогичными размерами, полученная по способу прототипа, разрушалась при изгибе на 37-45^o.

Пример 2. Изготовление фольги бериллия в последовательности операций, аналогичной примеру 1, вели при перемещении подложки и потока плазмы друг относительно друга с суммарной кратностью перемещений, равной 6•10³, при собственной скорости перемещения подложки 0,3 м•с^-1, потока плазмы - 0,05 м•с^-1, суммарном парциальном давлении примесей в аргоне (1-4)•10^-6 Па, установке электрода с потенциалом подложки на расстоянии 15 мм от подложки, слоями толщиной 0,8-1 нм. В результате получена самонесущая фольга бериллия в виде круга толщиной 3 мкм диаметром 20 мм, самопроизвольное отделение которой от подложки произошло по истечении некоторого промежутка времени. Испытания на изгиб показали возможность его на 180^o при радиусе кривизны, равном 5 мм. Визуальная оценка показала отсутствие нарушений сплошности.

Пример 3. Изготовление ленточных медно-бериллиевых фольг выполнено с последовательностью, на оборудовании и при условиях (за исключением приведенных), аналогичных примеру 1, на полированных подложках из стали 12Х18Н10Т. Формирование фольги на подслое хлорида натрия вели осаждением распыляемых одновременно меди и бериллия поочередным перемещением потоков плазмы относительно подложки при скорости перемещения потоков плазмы 0,6-1,0 м•с^-1, без установки дополнительного электрода с потенциалом подложки между мишенью и подложкой. Изменение содержания бериллия от 8 до 30 ат.% в фольге осуществляли изменением соотношения скорости распыления металлов. Суммарное парциальное давление примесей в аргоне после очистки поддерживали в пределах (1-9)•10^-6 Па. Термообработка фольги произведена при 750-800^oС и (6-8)•10^-4 Па. В итоге получены фольги толщиной 15-20 мкм мелкозернистой структуры и высоким качеством поверхности, результаты прочностных испытаний которых приведены в табл. 1. Увеличение упругости и прочности фольги, полученной предлагаемым способом, связано с мелкозернистой структурой металла, при которой микрокристаллы наклонно ориентированы к плоскости подложки. Наклонная ориентация микрокристаллов подтверждена данными электронной микроскопии, приведенными, в частности, для сплава, содержащего 10 ат.% бериллия на фиг.2 (увеличение в 1500 раз).

Приведенные прочностные характеристики подтверждают высокое качество фольги.

Пример 4. Изготовление ленточных алюмобериллиевых фольг выполнено с последовательностью, на оборудовании и при условиях (за исключением приведенных), аналогичных примеру 1, на полированных подложках из стали 12Х18Н10Т. Формирование фольги на подслое хлорида натрия вели осаждением распыляемых одновременно алюминия и бериллия поочередным перемещением потоков плазмы относительно подложки при скорости перемещения потоков плазмы 0,4-0,6 м•с^-1. Изменение содержания бериллия с 8 до 80 ат.% в фольге осуществляли изменением соотношения скорости распыления металлов. Суммарное давление примесей в аргоне после очистки составляло (8-1)•10^-6 Па. Термообработка фольги произведена при 430±10^oС и 7•10^-4 - 5•10^-5 Па. В итоге получены фольги толщиной 10-15 мкм мелкозернистой структуры и высоким качеством поверхности, результаты прочностных испытаний которых приведены в табл. 2.

Для полученных фольг характерны высокие прочность и упругость, обусловленные текстурой, при которой микрокристаллы наклонно ориентированы по отношению к плоскости подложки.

Таким образом, приведенные примеры и результаты, изложенные в них, свидетельствуют о повышении качества получаемых предлагаемым способом бериллийсодержащих и бериллиевых фольг и расширении технологических возможностей получения подобного рода продукции ионно-плазменными процессами.

Формула изобретения

1. Способ получения бериллиевой и бериллийсодержащей фольги, включающий нанесение на подготовленную поверхность подложки подслоя, препятствующего диффузии материала фольги в подложку, последующее осаждение слоев материала фольги и отделение полученной фольги от подложки, отличающийся тем, что слои формируют осаждением материала, полученного магнетронным распылением мишени, путем повторяющихся перемещений поверхности подложки и/или по меньшей мере одного потока плазмы относительно друг друга со скоростью, обеспечивающей рост кристаллов материала слоя, наклонно ориентированных к плоскости подложки, при этом для образования плазмы используют инертный газ с содержанием примесей, суммарное парциальное давление которых менее 1•10^-5 Па.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при получении бериллиевой фольги толщина одного слоя осажденного бериллия не превышает 5 нм.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что разность потенциалов между мишенью и подложкой на расстоянии от подложки, равном или меньшем половины расстояния от мишени до подложки, равна нулю.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что поверхность фольги после отделения от подложки подвергают очистке от материала подслоя.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что фольгу после отделения от подложки подвергают термообработке при давлении, не превышающем 1•10^-3 Па.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4