Способ изготовления слоев оксида металла заранее заданной структуры посредством испарения электрической дугой

Авторы патента:


Способ изготовления слоев оксида металла заранее заданной структуры посредством испарения электрической дугой
Способ изготовления слоев оксида металла заранее заданной структуры посредством испарения электрической дугой
Способ изготовления слоев оксида металла заранее заданной структуры посредством испарения электрической дугой
Способ изготовления слоев оксида металла заранее заданной структуры посредством испарения электрической дугой
Способ изготовления слоев оксида металла заранее заданной структуры посредством испарения электрической дугой
Способ изготовления слоев оксида металла заранее заданной структуры посредством испарения электрической дугой

 


Владельцы патента RU 2528602:

ЁРЛИКОН ТРЕЙДИНГ АГ, ТРЮББАХ (CH)

Изобретение относится к технологии получения стабильных при высоких температурах оксидных слоев. Способ осуществляют посредством испарения мишени из сплава металлических и/или полуметаллических компонентов электрической дугой с формированием оксида, содержащего три или более компонентов. При этом температуру образования оксида регулируют посредством выбора состава сплава мишени, содержащей два или более указанных компонентов на основании фазовой диаграммы двойной системы или системы с большим количеством компонентов. Указанная система характеризует переход из полностью жидкой фазы в содержащую твердые компоненты фазу при температуре, соответствующей требуемой температуре образования оксида. Технический результат - повышение качества осаждаемых слоев. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к способу изготовления слоев оксида металла заранее заданной структуры согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

В частности, изобретение относится к изготовлению, отбору и функционированию так называемых «мишеней из сплава», то есть мишеней, состоящих по меньшей мере из двух металлических и/или полуметаллических компонентов и которые служат в качестве источников испарения при катодном испарении электрической дугой.

Изобретение имеет особое значение для «мишеней из сплава», состоящих из металлов с очень разными температурами плавления.

Эти мишени из сплава определены как имеющие по меньшей мере два металлических компонента, но которые также могут существовать в виде интерметаллических соединений и/или смешанных кристаллов.

В этом случае порошково-металлургическая мишень является мишенью, которая изготавливается из порошков металлов, полуметаллов, интерметаллических соединений, смешанных кристаллов, и при этом после процесса изготовления (например, процесса горячего изостатического прессования (HIP) частицы порошка все еще могут быть различимы при микроскопном разрешении. Поэтому порошково-металлургическая мишень из сплава может быть изготовлена из смеси порошков металлов и/или полуметаллов, из порошка интерметаллического соединения или смеси порошков металла и/или полуметалла и/или интерметаллических соединений. В противоположность этому мишень для пирометаллургического легирования является мишенью, в которой первичные металлы или же полуметаллы образуют интерметаллическую фазу. Характерным для этого является то, что частицы первичного материала более нельзя увидеть при микроскопном разрешении, то есть они более не существуют.

Кроме того, существует так называемые распыленные в плазменной дуге мишени. Это мишени, которые изготовлены за счет плазменного напыления. В этих мишенях может происходить частичное или полное образование интерметаллических компонентов первичных материалов. Однако в целом изготовленная посредством плазменного напыления мишень может содержать как частицы, так и интерметаллические фазы.

Катодное испарение электрической дугой является общепризнанным в течение многих лет способом, который находит применение в покрытии инструментов и компонентов, и с помощью которого осаждается широкий диапазон металлических слоев, а также металлических нитридов и карбонитридов металла. Для всех этих применений мишени являются катодом искрового разряда, функционирующие при низких напряжениях и высоких токах, и с помощью которых испаряется материал мишени (катода). В качестве самого простого и экономичного энергопитания для функционирования искровых разрядов применяют источник напряжения постоянного тока.

Более проблематичным является изготовление металлических оксидов посредством испарения электрической дугой. Функционирование искрового разряда постоянного тока в кислородной или же кислородосодержащей атмосфере для осаждения оксидных слоев на инструменты или компоненты является трудно осуществимым. Существует риск того, что оба электрода разрядов постоянного тока (с одной стороны, мишень в виде катода, а также, с другой стороны, анод, который часто функционирует на потенциале «земли») покрываются изолирующими слоями. В зависимости от конструкции источника (магнитное поле, расположение и типа газовпускного патрубка) на мишени (катоде) это приводит к электрически проводимой зоне, на которой проходит искра, сжимается и, наконец, приводит к прерыванию искрового разряда.

Т.Д. Шеммель, Р.Л. Каннингхэм и X. Рандхава в «Твердофазных пленках» 191 (1989) 597 (T.D. Schemmel, R.L. Cunningham и H.Randhawa, Thin Solid Films 181 (1989) 597) описывают высокоскоростной процесс нанесения покрытия для Al2O3. Газовпускной патрубок для кислорода был введен рядом с подложкой после фильтрации искры. Упоминается, что впуск кислорода после фильтра рядом с подложкой является важным для уменьшения окисления мишени и стабилизации искрового разряда.

В патенте США 5,518,597 также описано изготовление оксидных слоев. Патент содержит информацию об осаждении слоев при повышенных температурах и основан на том, что анод также нагревается (800°-1200°C) и химически активный газ не вводится напрямую у мишени. Высокие температуры анода сохраняют анод проводящим и позволяют осуществить стабильное функционирование искрового разряда.

В US 2007/0,000,772 A1, WO 2006/099,760 A2 и WO 2008/009,619 A1 функционирование искрового разряда в атмосфере кислорода описано более подробно и предлагается способ, с помощью которого можно избежать на катоде полного нанесения изоляционного слоя, непроницаемого для постоянного тока (DC).

US 2007/0,000,772 A1 и WO 2006/099,760 A2 описывают, главным образом, функционирование искрового источника с импульсным током в качестве существенного фактора для удержания поверхности катода свободной от непроницаемых оксидных слоев и обеспечивают стабильный искровой разряд. За счет пульсации тока искры, для которой необходим специальный источник электропитания, искру постоянно направляют на новые дорожки над мишенью, и перемещение предотвращается только в предпочтительных зонах, а остающиеся области мишени покрываются толстым оксидом (как в случае с «направленной искрой»).

В WO 2008/009,619 A1 описано функционирование искрового разряда в атмосфере кислорода, в которой катод снабжен предпочтительно небольшим магнитным полем, перпендикулярным поверхности мишени. Это позволяет осуществить регулярный ход искры над поверхностью мишени и тем самым предотвращает образование толстого окисления мишени, непроницаемого для постоянного тока.

На основе этих трех документов известного уровня техники является возможным обеспечивать стабильный искровой разряд в течение нескольких часов в атмосфере чистого кислорода. Эти способы работают стабильно и воспроизводимо для элементарных мишеней и для мишеней для пирометаллургического легирования.

Характерными для изготовленных посредством испарения электрической дугой слоев являются капли металла, которые окислились неполностью и которые образуют в слое трудно предотвращаемые металлические конгломераты. В случае мишени из сплава эти капли образуются в основном из более тугоплавкого металла или из сплава, соответствующего по существу составу мишени. Для предотвращения таких капель существуют трудоемкие технические меры, например посредством фильтрации. Это означает, что не все изготовленные испарением электрической дугой слои имеют капли. Но все слои, которые имеют капли, были изготовлены путем испарения с использованием искрового разряда.

Растущее применение испарения электрической дугой для изготовления самых разных оксидов металлов требует гибкого и экономичного изготовления мишени. Многие мишени изготавливаются известным специалисту способом посредством горячего изостатического прессования (HIP). Если, например, необходимо изготовить Al-Cr мишень, порошок или порошковая смесь желаемого состава из элементов (здесь, в качестве примера и без ограничения: Al и Cr) герметически заключается в контейнер, который подвергается воздействию высоких температур в вакууме для того, чтобы уменьшить содержание воздуха и влажности в порошке. Затем контейнер герметизируется и при высокой температуре подвергается воздействию высокого давления. Этот способ уменьшает внутренние полости и создает определенное связывание порошка. Полученный материал имеет однородное распределение относительно размера частиц и почти 100% плотность.

Целью изобретения является предложение способа изготовления слоев оксида металла посредством испарения электрической дугой, с помощью которого слои оксида металла заданной кристаллической структуры могли бы надежно осаждаться и с помощью которого требуемым образом могла бы быть установлена температура образования оксидов металла, которые осаждаются на подложку.

Данная цель достигнута посредством способа, имеющего признаки согласно пункту 1 формулы изобретения.

Предпочтительные усовершенствования приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Другой целью является предложение мишени для изготовления слоев оксида металла, с помощью которого слои оксида металла могут надежно осаждаться заданной кристаллической структурой и с помощью которого согласно пожеланию могла бы быть установлена температура образования оксидов металлов, которые осаждаются на подложку.

Данная цель достигнута посредством мишени, имеющей признаки пункта 9 формулы изобретения.

Предпочтительные усовершенствования приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Следующей целью является предложение слоев оксидов металлов, которые могли бы экономично и надежно осаждаться при любой составе.

Эта цель достигнута посредством слоев оксидов металлов, имеющих свойства пункта 13 и 15 формулы изобретения.

Предпочтительные дальнейшие усовершенствования приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Наблюдалось, что слои оксидов металла, синтезированные на подложке с помощью испарения электрической дугой, при использовании мишеней из сплава относительно металлических частей по существу имеют состав, который, как неудивительно, соответствует составу мишени из сплава. Однако неожиданно на кристаллическую структуру осажденных слоев также может оказываться сильное и управляемое влияние посредством состава мишени из сплава. Это было особенно удивительно для порошково-металлургических мишеней, так как в этих случаях в мишени все еще имеются отдельные частицы легирующих материалов. Далее можно наблюдать влияние кристаллической структуры и/или фазового состава синтезированного слоя оксида металла на подложку в зависимости от состава сплава мишени. Поэтому объяснение этому было бы то, что синтез материалов, образующих слои оксида металла с помощью испарения электрической дугой, существенной частью происходит уже на поверхности мишени, что полностью находится в противоречии с обычными представлениями о производстве слоев посредством нанесения покрытия осаждением паров, которое скорее предполагает синтез материалов на подложке.

Согласно изобретению посредством использования фазовых диаграмм является возможным установить температуру образования для оксида, который синтезирован во время испарения электрической дугой, хотя принципиально не важно, является ли мишень порошково-металлургическим (с малым размером частиц менее 300 мкм) или была изготовлена другим способом (пирометаллургическое легирование, посредством ковки или плазменного напыления).

Как правило, фазовые диаграммы получают за счет того, что исходя из высокой температуры, охлаждают смесь жидкостей и измеряют образование различных фаз и фазовых переходов.

В отличие от этого процессом испарения электрической дугой является процесс, посредством которого твердый материал переходит в паровую фазу с типичной продолжительностью искры менее чем одна мкс, и диаметр кратера находится в микрометровом диапазоне или даже только в нанометровом диапазоне. Испарение электрической дугой также является очень коротким процессом, и искра находит место на поверхности, которое мало по сравнению с размерами частиц в изготовленной порошково-металлургическим способом мишени. Поэтому намерение привлечь фазовые диаграммы в качестве вспомогательного средства для образования слоев оксида металла с помощью испарения электрической дугой является скорее странным. Однако согласно данному изобретению оказалось, что температура образования оксидов во время испарения электрической дугой может быть определена на основании перехода, который можно прочитать в фазовой диаграмме из полностью жидкой фазы в содержащую твердые составные элементы фазу. На основании этого рецепта является возможным направленно выбрать температуру образования оксидов. Так как температура образования оксидов оказывает значительное влияние, например, на кристаллическую структуру образующихся с этими оксидами слоев, тем самым является возможным характерный синтез желаемой кристаллической структуры с помощью испарения электрической дугой. Изобретатель не смог до сих пор объяснить, почему этот переход из жидкой фазы определяет эту температуру образования.

В объяснениях будут приведены ссылки на мишени из сплава, состоящие из двух металлических или полуметаллических компонентов, однако все сказанное аналогично также применимо к мишеням с более чем двумя компонентами („более высокое легирование"), независимо от способа изготовления.

Изобретение будет пояснено с помощью примера на основании чертежей, на которых показано:

Фиг.1 - двоичная фазовая диаграмма Al-Cr,

Фиг.2 - третичная фазовая диаграмма Al-Cr-O,

Фиг.3 - двоичная диаграмма Al-Nb,

Фиг.4 - часть третичной фазовой диаграммы Al-Nb-O,

Фиг.5 - часть модифицированной третичной фазовой диаграммы Al-Nb-O согласно Misra,

Фиг.6 - результат анализа с помощью дифракции электронов на слое Al-Nb-O.

Согласно изобретению структура осаждаемого оксида может быть считана на основании фазовой диаграммы металлических или полуметаллических компонентов, из которых синтезирован оксид. Это означает, например, что для третичного Al-Cr-O обращаются за справкой к двоичной диаграмме Al-Cr-O. Соответственно для четвертичного оксида обращаются за справкой к третичной фазовой диаграмме образующих оксид металлов или полуметаллов. Мишень для испарения электрической дугой тогда образована из металлов или полуметаллов, из которых должен образовываться оксид соответствующей структуры. Состав мишени выбирается таким образом, что температура на переходе в жидкую фазу согласно фазовой диаграмме выполняет условия для температуры образования оксида желаемой структуры. Тогда образование оксида достигается посредством реакции превратившейся в пар мишени или мишени, которые должны быть превращены в пар, с кислородом.

Это означает, что при необходимости для того, чтобы сформировать определенную желаемую структуру, целенаправленно изготавливаются мишени из сплава, которые согласно фазовой диаграмме обещают осаждение основного элемента мишени из сплава в виде оксида в соответствующей структуре, например с Al в качестве основного элемента в Al2O3 в структуре корунда.

Достигнутый посредством синтеза оксида результат будет зависеть от участвующих металлических или полуметаллических компонентов, которые составляют мишень из сплава. В случае Al-Cr мишени за счет больших зон концентрации достигают образования смешанных кристаллов, как это показано посредством сравнения двоичной фазовой диаграммы материальной системы Al-Cr (смотри фигуру 1) с фазовой диаграммой третичного Al-Cr-O, как изображено на фигуре 2, и что должно быть объяснено здесь более подробно.

Предлагаемая в изобретении предпочтительно выполнена из сплава алюминия, содержащего не менее 70 атомных процентов алюминия и по меньшей мере один компонент, выбранный из приведенной ниже группы, в атомных процентах:

Au: 20-30
B: менее 3
Be: 20-30
C: менее 3
Cr: от более 10 до 25
Fe: 2-15
Hf: 5-10
Ir: 10-15
La: 10-15
Mo: 2-5
Nb: 1-3
Na: 1-3
Ti: 2-6
V: 3-8
W: 5-8
Y: 12-16
Zr: 2-4

Сравнение фигуры 2 и фигуры 3 показывает, что для мишеней, имеющих менее чем 75 атомных процентов Al, температура для перехода в жидкую фазу (фигура 1) всегда находится выше температуры для образования смешанных кристаллов с соответствующей составом мишени. Из этого изобретатель сделал вывод, что для мишеней, имеющих менее чем 75 атомных процентов Al, температура образования (переход в жидкую фазу) для оксида всегда находится выше температуры, которая необходима для изготовления смешанных кристаллов Al-Cr-O (область над кривой на фигуре 2).

Однако, например, для 90 атомных процентов Al это более не так. Для этой концентрации переход в жидкую фазу происходит при температуре менее чем 1000°C, как показано посредством двоичной фазовой диаграммы (фигура 1). Однако из фигуры 2 становится понятно, что при этой пропорции сплава смешанный кристалл существует только при температуре выше 1100°C. Поэтому во время испарения электрической дугой из мишени из сплава, состоящей из 90 атомных процентов Al и 10 атомных процентов Cr, синтезируется слой, который не образует никакой смешанный кристалл, но который состоит из отдельных фаз Al-O и Cr-O. Однако, как неожиданно установил изобретатель, температура во время перехода в жидкую фазу (фигура 1) определяет кристаллическую структуру также для этих отдельных фаз. Но так как образование оксида алюминия в корундовой фазе потребует температуру более чем 1000°C, такой состав мишени также не приведет к образованию корундовой фазы оксида алюминия.

При менее чем 90 атомных процентов Al согласно фигуре 1 переход в жидкую фазу будет происходить только при температуре выше 1000°C. Но до тех пор, пока доля Al в мишени держится выше 75 атомных процентов, образование смешанного кристалла не может быть достигнуто, как описано выше. Поэтому является возможным изготавливать оксид алюминия в структуре корунда без образования паразитного смешанного кристалла за счет использования мишеней из сплава для испарения электрической дугой, которое имеет содержание алюминия между 75 атомными процентами и менее чем 90 атомными процентами Al.

В отличие от US 2008/0,090,099, в котором обсуждалось изготовление смешанных кристаллов с Al2O3 в структуре корунда на основе мишеней из сплава с составом Al/Cr 30/70 или еще меньшим содержанием алюминия, в данном примере таким образом эффективно предотвращают образование смешанных кристаллов.

В таблице 1 US 2008/0,090,099 упомянута мишень из сплава Al/Cr с составом 90/10 и обозначены соответствующие постоянные решетки корундовой структуры. В этом отношении следует обратить внимание, что это не экспериментальные значения, а интерполированные значения. Как подробно обсуждалось выше, эта концентрация не приводит точно к Al2O3 в структуре корунда или к образованию смешанного кристалла. Поэтому US 2008/0,090,099 ведет прямиком в неправильное направление, то есть отданного изобретения.

Конкретно согласно данному изобретению можно использовать, например, 80 атомных процентов доли алюминия в мишени. С такой пропорцией сплава переход в жидкую фазу происходит примерно при 1000°C. Однако для того, чтобы изготавливать оксид смешанных кристаллов, необходимы температуры не менее чем 1200°C с такой пропорцией сплава (смотри фигуру 2). В результате оксиды сплавов синтезируются не в виде смешанных кристаллов, а отдельно, но возникающий в этом процессе оксид алюминия образуется при температуре 1100°C и соответственно имеется в термодинамически стабильной корундовой фазе.

Это в противовес тому, что заявлено в пункте 6 формулы изобретения патента США 2008/0,090,099, в котором провозглашается образование смешанного кристалла при содержании, кроме прочего, алюминия 80%.

Определение кристаллической структуры, как это известно специалисту, может происходить с помощью рентгеновской дифракции. В некоторых случаях, особенно зачастую при желательных низких температурах подложки, размеры кристаллитов, однако, слишком малы для рентгеновской дифракции. В данном случае анализ был проведен с помощью дифракции электронов, и с помощью этих способов была без сомнения продемонстрирована структура корунда для кристаллитов с размером примерно 10 нанометров.

Следует упомянуть еще другой пример, в котором относительно металлических или полуметаллических компонентов во время синтеза слоя это не приведет к свободно смешиваемому оксиду (образование смешанного кристалла), как в случае с системой Ak-Cr-O и в котором, прежде всего, образуются фазовые смеси оксидов. Для этого была выбрана Al-Nb материальная система, двоичная фазовая диаграмма которой представлена на фигуре 3. Здесь также было показано, что состав мишени относительно ее металлических и полуметаллических компонентов определяет температуру перехода из жидкой фазы и тем самым согласно идее изобретателя определяет температуру образования оксида металла.

Согласно изобретению и следуя рецепту, от задействованных металлических или полуметаллических компонентов, составляющих мишень из сплава, снова зависит то, к какому результату приведет синтез оксида. В случае Al мишени, к которой примешивают 10 атомных процентов Nb, температура образования синтезированного оксида металла на подложке изменяется примерно от 680°C (элементарная алюминиевая мишень) примерно до 1300°C (сплав с 10 атомными процентами Nb, фигура 3). Для этой температуры фазовая диаграмма третичного Al-Nb-O Misra (фигура 5) обеспечивает фазовую смесь, которая наряду с Nb2O5 и NbAlO4 также содержит Al2O3. Так как этот Al2O3 согласно изобретению образуется при температуре 1300°, он присутствует в структуре корунда, что может быть продемонстрировано посредством дифракции электронов.

В то время как фазовые диаграммы для двоичных систем в основном хорошо исследованы, может произойти так, что фазовые диаграммы соответствующих третичных оксидов не исследованы для всех температурных диапазонов, и что поэтому они не доступны, как в случае с материальной системой Al-Cr-O. Также фазовые диаграммы третичных оксидов являются, в основном, более сложными, чем фазовая диаграмма для Al-Cr-O, которая по существу содержит область образования смешанных кристаллов и отдельных двоичных оксидных фаз. Однако для оценки могут быть привлечены фазовые диаграммы из соседних температурных диапазонов.

В случае с Al-Nb-O изобретатель смог с составом мишени 80 атомных процентов Al и 20 атомных процентов Nb оценить из двухфазной диаграммы, как представлено на фигуре 3, температуру образования оксида примерно 1600°C, но не смог найти фазовую диаграмму третичного оксида при этой температуре.

Фигура 4 (Лейден) теперь представляет температурный диапазон до 1500°C для третичной системы. Модифицированная фазовая диаграмма Misra для третичной системы из 2005 года (фигура 5) для той же материальной системы была также измерена только для температуры 1300°C.

Как объяснялось выше, увеличение содержания Nb в мишени из сплава согласно фигуре 3 приводит к увеличению температуры образования оксида металла примерно до 1600°C. Однако на основании обеих имеющихся диаграмм для третичной системы (фигуры 4 и 5) можно предположить, что при 1600°C без сомнения может произойти образование AlNbO4 с возможными частями Nb2O5 и по меньшей мере 60 молярными процентами оксида алюминия. Так как температура образования оксида составляет примерно 1600°C, весь оксид алюминия по существу имеет высокую температурную фазу, то есть присутствует в структуре корунда. Снова была осуществлена дифракция электронов на синтезированных таким образом слоях. На фигуре 6 распределение интенсивности дифракции электронов представлено непрерывными толстыми линиями. Расположение пиков интенсивности для AlNbO4 (вертикально пунктирная линия с двумя выраженными пиками), Nb2O5 (горизонтально пунктирная линия только с одним максимумом, находящимся примерно при длине рассеяния 2,4 нм) и Al2O3 в структуре корунда (пунктирная линия с максимумом при длине рассеяния примерно 6 нм) являются в противоположность этому симулированными кривыми. Также воздерживались от симуляции интенсивности математическим путем, так как это было бы связано со слишком большим количеством предположений. Однако расположение пиков интенсивности четко показывает, что синтезированный слой состоит по существу из смеси AlNbO4 и оксида алюминия в структуре корунда, что может распознаваться в том, что положение двух локальных максимумов интенсивности в измеренной кривой появляется для тех длин рассеяния, для которых также расположены максимы интенсивности симулированных (вычисленных) кривых для AlNbO4 и Al2O3 (корунд). В противоположность этому, максимумы интенсивности вычисленного Nb2O5 немного смещены относительно длин рассеяния, однако, конечно, нельзя исключать, что в синтезированном слое также содержаться части Nb2O5.

Возможность определения температуры образования оксида во время синтеза слоя и результаты дифракции электронов приводят к неожиданной возможности с помощью вышеуказанного рецепта создать способ, с помощью которого могли бы изготавливаться высокотемпературные оксиды из легкоплавких материалов. Другими словами, с помощью этого способа точка плавления легкоплавких материалов может быть увеличена настолько, что достигаются необходимые температуры для образования целенаправленной оксидной фазы, которые иначе не могли быть достигнуты во время испарения электрической дугой, так как точка плавления легкоплавкого материала находится ниже температуры образования высокотемпературного оксида.

Хотя все это применяется в целом, здесь, прежде всего, снова и без ограничения, необходимо подробно рассмотреть еще раз важный пример изготовления алюминиевого оксида в структуре корунда, который очевидно невозможен посредством испарения электрической дугой элементарной алюминиевой мишени, так как точка плавления алюминия 660°C значительно ниже температуры образования корунда (примерно 1000°C). На основании существовавших до сих пор объяснений процедура проходит следующим образом.

Для того чтобы увеличить температуру образования оксида алюминия примерно до 1000°C, ищут подходящий тугоплавкий материал и изготавливают мишень из сплава (без ограничений в производственном процессе), процентное содержание компонента тугоплавкого материала регулируется таким образом, что согласно двухфазной диаграмме достигается по меньшей мере температура образования оксида 1000°C. При этом уже очень малые примеси к мишени могут привести к такому увеличению температуры образования оксида. В случае с Nb (фигура 3) достаточными являются 3 атомных процента. Изготовленные таким способом слои были снова исследованы с помощью дифракции электронов, и смогла быть доказана корундовая фаза алюминиевого оксида.

Изобретение также делает возможным оказание дальнейшего существенного влияния подлежащего синтезу слоя. Это означает влияние размера кристаллита от 10 нм до 500 нм посредством температуры образования оксида металла. Процессы нанесения покрытия осаждением паров среди всего прочего отличаются тем, что осаждение слоя главным образом происходит далеко от термического равновесия, то есть при низких температурах подложки. Таким образом, выпаренный материал быстро охлаждается при осаждении на подложку. Это быстрое охлаждение влечет за собой то, что в слое могут образовываться только малые кристаллиты.

Частично это является желательным для изготовления аморфных слоистых структур. Но в некоторых случаях предпочтительными являются более крупные кристаллиты. Согласно уровню техники в процессах нанесения покрытия осаждением паров затем, либо увеличивается температура подложки посредством нагрева, либо пытаются ввести дополнительную энергию посредством ионной бомбардировки в растущий слой. На основании данного изобретения, таким образом, можно изменить состав мишени из сплава, что достигают более высокие температуры слоев оксида металла, то есть, например, Al2O3 образуется не при 1100°C, а при 1300°C. За счет увеличенной температуры образования оксида также увеличивается ввод энергии в слой, что приводит к более крупным кристаллам. Рецепт здесь снова описывает порядок действий.

Разумеется, эти соображения, как уже упомянуто выше, применяются не только для двоичных сплавов, но также для тройных, четверных и более высоколегированных сплавов, на основе которых желают синтезировать оксидные слои.

Наконец, следует упомянуть, что изобретательский рецепт может быть использован в обратном направлении и тем самым в определенном смысле даже возможно синтезировать слои, анализ которых может способствовать установлению фазовых диаграмм. Это означает, что раскрыт способ для установки фазовых диаграмм.

Понимание изготовления высокотемпературных оксидов посредством состава мишени согласно фазовым диаграммам применяется не только для реактивного катодного испарения электрической дугой, но также для реактивного распыления и реактивного импульсного распыления (высокомощная и модулированная пульсация), однако тогда технологический процесс не является несложным, как в случае с катодным испарением электрической дугой (регулирование кислорода).

1. Способ получения стабильного при высоких температурах оксидного слоя посредством испарения мишени из сплава металлических и/или полуметаллических компонентов электрической дугой с формированием оксида, содержащего три или более компонентов, отличающийся тем, что температуру образования оксида регулируют посредством выбора состава сплава мишени, содержащей два или более указанных компонентов на основании фазовой диаграммы двойной системы или системы с большим количеством компонентов, характеризующей переход из полностью жидкой фазы в содержащую твердые компоненты фазу при температуре, соответствующей требуемой температуре образования оксида.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру плавления легкоплавких компонентов материала мишени увеличивают добавлением в материал мишени более тугоплавких металлических или полуметаллических компонентов для регулировки температуры образования оксида.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что получают слой, содержащий более 70 атомных процентов оксида алюминия и имеющий структуру корунда, путем испарения по меньшей мере одной мишени из алюминиевого сплава, содержащего по меньшей мере один другой металлический или полуметаллический компонент, при этом сплав имеет температуру перехода из полностью жидкой фазы в содержащую твердые компоненты фазу между 1000 и 1200°С.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что получают слой, содержащий более 70 атомных процентов оксида алюминия и имеющий структуру корунда, путем испарения по меньшей мере одной мишени из алюминиевого сплава, содержащего по меньшей мере один другой металлический или полуметаллический компонент, при этом сплав имеет температуру перехода из полностью жидкой фазы в содержащую твердые компоненты фазу между 1000 и 1200°С.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют мишень, выполненную из сплава, имеющего температуру перехода из полностью жидкой фазы в содержащую твердые компоненты фазу выше 1000°С.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что используют мишень, выполненную из сплава, имеющего температуру перехода из полностью жидкой фазы в содержащую твердые компоненты фазу выше 1000°С.

7. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что получают слой, содержащий более 70 атомных процентов оксида алюминия, имеющего структуру корунда, путем испарения по меньшей мере одной мишени из сплава алюминия и по меньшей мере одного другого металлического или полуметаллического компонента, предпочтительно одного указанного компонента, при этом слой содержит не менее 70 атомных процентов Al и один или более компонентов, выбранных из приведенной ниже группы, в атомных процентах:

Аu: 20-30
В: менее 3
Be: 20-30
С: менее 3
Сr: от более 10 до 25
Fe: 5-15
Hf: 5-10
Ir: 10-15
La: 10-15
Mo: 2-5
Nb: 1-3
Та: 1-3
Ti: 2-6
V: 3-8
W: 5-8
Y: 12-16
Zr: 2-4

8. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что получают слой, содержащий более 70 атомных процентов оксида алюминия, имеющего структуру корунда, путем испарения по меньшей мере одной мишени из алюминиевого сплава, полученной методом порошковой металлургии или пирометаллургическим легированием, при этом сплав дополнительно содержит по меньшей мере один металлический или полуметаллический компонент в количестве менее 20 атомных процентов, имеющий более высокую температуру плавления, обеспечивающий температуру плавления сплава по меньшей мере 1000°С.

9. Мишень из сплава алюминия и другого металлического или полуметаллического компонента для получения стабильного при высоких температурах оксидного слоя способом по любому из пп.1-8, в которой сплав материала мишени согласно фазовой диаграмме имеет переход из жидкой фазы выше 1000°С, предпочтительно ниже 1200°С.

10. Мишень по п.9, которая выполнена из сплава алюминия, содержащего не менее 70 атомных процентов алюминия и по меньшей мере один компонент, выбранный из приведенной ниже группы, в атомных процентах:

Аu: 20-30
В: менее 3
Be: 20-30
С: менее 3
Сr: от более 10 до 25
Fe: 2-15
Hf: 5-10
Ir: 10-15
La: 10-15
Mo: 2-5
Nb: 1-3
Та: 1-3
Ti: 2-6
V: 3-8
W: 5-8
Y: 12-16
Zr: 2-4

11. Мишень по п.9, в которой по меньшей мере два металлических или полуметаллических компонента различаются по температуре на 100- 500°С.

12. Мишень по п.10, в которой по меньшей мере два металлических или полуметаллических компонента различаются по температуре на 100- 500°С.

13. Слой оксида, стабильного при высоких температурах, имеющий структуру корунда, содержащий оксид алюминия и полученный способом по любому из пп.1-8 с использованием мишени по любому из пп.9-12, при этом слой оксида содержит примеси более тугоплавких металлических или полуметаллических компонентов в количестве менее 25 атомных процентов без образования смешанного кристалла.

14. Слой по п.13, содержащий в качестве примеси один или несколько следующих компонентов, в атомных процентах:

Au: 20-30
В: менее 3
Be: 20-30
С: менее 3
Сr: от более 10 до 25
Fe: 2-15
Hf: 5-10
Ir: 10-15
La: 10-15
Mo: 2-5
Nb: 1-3
Та: 1-3
Ti: 2-6
V: 3-8
W: 5-8
Y: 12-16
Zr: 2-4

15. Слой оксида, стабильного при высоких температурах, содержащего три или более компонентов, с выбранным температурным диапазоном образования и стабильностью, изготовленный способом по любому из пп.1-8 с использованием мишени по любому из пп.9-12.

16. Слой по п.15, выполненный из смесей оксидных фаз посредством осаждения паров требуемого фазового состава.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий, а именно износостойких защитных покрытий на инструменты, такие как фрезы, режущие пластинки, литьевые формы и аналогичные инструменты.

Группа изобретений относится к нанесению покрытий. Устройство по варианту 1 содержит два коаксиально размещенных электрода и цилиндрический межэлектродный изолятор.

Изобретение относится к способу изготовления оксидных слоев посредством напыления конденсацией из паровой фазы (PVD), прежде всего посредством катодного испарения электрической дугой, и может быть использовано для защиты деталей от износа, при изготовлении запирающих слоев, сегнетоэлектриков, сверхпроводников или топливных элементов.

Изобретение относится к обработке поверхностей заготовок в установке вакуумирования с выполненным в виде мишени первым электродом, являющимся частью источника испарения электрической дугой, и с выполненным в виде держателя заготовок вторым электродом.

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на поверхности трения. Способ включает размещение порошковой навески из карбида титана между двумя слоями молибденовой фольги, электрический взрыв фольги с формированием импульсной многофазной плазменной струи, оплавление плазменной струей поверхности трения при значении удельного потока энергии 3,5…4,5 ГВт/м2 и напыление на оплавленный слой компонентов плазменной струи с последующей самозакалкой и получением композиционного покрытия, содержащего карбид титана и молибден.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к электродуговому испарителю металлов и сплавов, и может найти применение при нанесении защитных и упрочняющих покрытий на изделия.

Изобретение относится к нанесению покрытий искровым напылением. Мишень для нанесения металлооксидного и/или металлонитридного покрытия включает металлическую матрицу с размещенным в ней неэлектропроводящим оксидом и/или нитридом металла.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к обработке металлов резанием, и может быть использовано при изготовлении износостойкого режущего инструмента из керамики.

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности, в частности, к технологии импульсного электровзрывного нанесения беспористых композитных покрытий системы TiB2-Cu с применением в качестве взрываемого проводника композиционного электрически взрываемого материала, представляющего собой двухслойную медную фольгу с заключенной в ней порошковой навеской диборида титана, и может быть использовано в электротехнике для формирования контактных поверхностей с высокой электроэрозионной стойкостью.

Изобретение относится к способу изготовления оксидных слоев посредством напыления конденсацией из паровой фазы (PVD), прежде всего посредством катодного испарения электрической дугой, и может быть использовано для защиты деталей от износа, при изготовлении запирающих слоев, сегнетоэлектриков, сверхпроводников или топливных элементов.
Изобретение относится к машиностроению. Способ создания многослойного теплозащитного металлокерамического покрытия для камер сгорания и газовых турбин авиационных и ракетных двигателей включает нанесение на рабочую поверхность чередующихся керамических и металлических слоев посредством ионно-плазменного напыления.

Изобретение относится к устойчивым к смачиванию материалам и изделиям, которые содержат покрытия из таких материалов. Устойчивое к смачиванию изделие включает покрытие, имеющее величину открытой пористости поверхности до примерно 5% об., причем покрытие включает материал, содержащий первичный оксид и вторичный оксид, где первичный оксид содержит катион, выбранный из группы, состоящей из церия, празеодима, тербия и гафния, а вторичный оксид содержит катион, выбранный из группы, состоящей из редкоземельных элементов иттрия и скандия.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам получения теплозащитных покрытий на деталях турбин из никелевых или кобальтовых сплавов, в частности газовых турбин авиадвигателей и энергетических установок.

Изобретение относится к устойчивым к смачиванию материалам и изделиям, которые содержат покрытия из таких материалов. В одном воплощении такой материал содержит первичный оксид, содержащий катионы первичного оксида, причем катионы первичного оксида включают церий и гафний, и вторичный оксид, содержащий катион вторичного оксида, выбранный из группы, состоящей из редкоземельных элементов иттрия и скандия.

Изобретение относится к барьерным слоям, обеспечивающим снижение проницаемости материала для конкретных субстанций. .

Изобретение относится к способу нанесения теплобарьерного покрытия на основе диоксида циркония на монокристаллический жаропрочный сплав на основе никеля, имеющего следующий состав, мас.%: 3,5-7,5 Сr, 0-1,5 Мо, 1,5-5,5 Re, 2,5-5,5 Ru, 3,5-8,5 W, 5-6,5 Al, 0-2,5 Ti, 4,5-9 Та, 0,08-0,12 Hf, 0,08-0,12 Si, остальное до 100% составляют Ni и неизбежные примеси.

Изобретение относится к области получения тонкопленочных покрытий, в частности к вакуумному нанесению прозрачных проводящих покрытий методом магнетронного распыления.

Изобретение относится к технологии получения тонких пленок, в частности сегнетоэлектрических пленок на основе сложных оксидов, и может быть использовано для создания многокомпонентных пленочных покрытий с заданным стехиометрическим составом.

Изобретение относится к способам формирования защитного слоя при изготовлении плазменной индикаторной панели (PDP). .

Изобретение относится к конструкции упрочняющих теплоотражающих просветляющих покрытий для прозрачных пластиковых изделий, например для экранов средств индивидуальной защиты. Предложено упрочняющее теплоотражающее просветляющее покрытие на прозрачной пластиковой подложке, состоящее из адгезионного упрочняющего слоя геометрической толщиной 240-300 нм, выполненного из оксида кремния SiOx, при 1,5≤x<2,0, где x - степень окисления оксида кремния; проводящего слоя, выполненного из оксида олова SnO2, геометрической толщиной 260-300 нм, и просветляющего слоя, выполненного из диоксида кремния SiO2, геометрической толщиной 90-100 нм. Технический результат - нанесение предложенного покрытия на прозрачные пластиковые изделия повышает срок службы этих изделий с сохранением их прозрачности и повышением механической прочности. 2 ил., 3 пр.
Наверх