Способ нанесения нанопленочного покрытия на подложку

Изобретение относится к способу нанесения нанопленочного покрытия на подложку и может быть использовано для получения нанопокрытий на поверхностях различных подложек при невысокой температуре. Осуществляют импульсно-плазменное напыление с лазерным поджигом. Используют импульсный режим работы эксимерного ультрафиолетового лазера и собственные ионы материала мишени для создания рабочей плазмы. Используют ультрафиолетовое излучение с прецизионно низкой мощностью для начального поджига при создании рабочей плазмы и используют импульсный режим работы источника питания магнетрона с временем работы меньше, чем частота следования лазерных импульсов. Техническим результатом изобретения является улучшение оптических и структурных свойств напыляемых покрытий за счет использования плазмы из собственных ионов распылительной мишени и использования прецизионно низкой мощности лазерного излучения. 1 ил.

 

Изобретение относится к области технологических процессов, связанных с нанесением нанопленочных покрытий и может быть использовано для получения нанопокрытий на поверхностях различных подложек при невысокой температуре.

Тонкие пленки (полупроводниковые, металлические и диэлектрические) с различными характеристиками (прозрачность, электропроводность и адгезия) применяются во многих отраслях промышленности и устройствах. Так, полупроводниковые прозрачные оксидные тонкие пленки, такие как In2O3, ZnO, SnO2, CdO, Ga2O3, TiO2, применяются при изготовлении тонких дисплеев, органических светоизлучающих диодов, солнечных батарей, тонкопленочных транзисторов, газовых сенсоров, космических аппаратов и т.д. Так как они обладают одновременно прозрачностью (~90%) в видимом диапазоне и способностью проводить электрический ток. Металлические покрытия на основе Al, Ag и их сплавов также широко применяются в микроэлектронике, тонкопленочных транзисторах, солнечных отражателях и в космическом машиностроении.

Для получения полупроводниковых прозрачных и диэлектрических тонких пленок в основном используется радиочастотное магнетронное или магнетронное на постоянном токе напыление. Суть метода магнетронного напыления заключается в использовании плазмы инертного газа для распыления необходимого материала в вакууме. Распыляемый материал впоследствии осаждается на требуемую подложку. Магнетронное напыление позволяет получать тонкие пленки различных материалов. В данном методе применяется постоянный магнит для создания магнитных полей, которые обеспечивают более эффективную ионизацию инертного газа, тем самым понижая его концентрацию. Метод магнетронного распыления широко используется в различных областях промышленности, поскольку позволяет получать достаточно однородные покрытия на большой площади. Однако, из-за использования рабочего газа (инертный газ, например аргон) ухудшается вакуум, что негативным образом влияет на оптические и электрические свойства получаемых покрытий.

Для получения высококачественных нанопленочных покрытий с наилучшими оптическими и электрическими характеристиками предлагается использовать способ импульсно-плазменного напыления с лазерным поджигом.

Известен способ лазерено-плазменного напыления покрытий [Патент РФ №2449048, МПК С23С 4/12, опубл. 27.11.2011 г.]. В данном способе плазмотроном создается плазменный поток, направленный на напыляемую поверхность, в который подаются частицы напыляемого порошка, а на выход из сопла плазмотрона перпендикулярно плазменному потоку подается модулированное лазерное излучение, сфокусированное на противоположной от источника лазерного излучения стороне плазменного потока. При этом лазерное излучение подается перед подачей частиц напыляемого порошка и с интенсивностью не менее пороговой, при которой происходит оптический пробой.

Основным недостатком данного способа является использование дополнительного оборудования (плазмотрон), что впоследствии увеличивает время напыления. Также недостатком метода является первоначальная подготовка мишени распыляемого материала (порошкообразный вид).

Существует устройство для высокоскоростного магнетронного распыления [Патент РФ №2311492, МПК С23С 14/35, опубл. 27.11.2007 г.]. Изобретение относится к технике вакуумного нанесения металлических и диэлектрических покрытий. Анод устройства включает в себя систему газораспределения, обеспечивающую равномерную подачу рабочего газа по всей поверхности распыляемого катода и находится под положительным потенциалом. Катод состоит из системы охлаждения с установленным на ней распыляемым катодом-мишенью, расположенным между полюсами магнитной системы. Магнитная система включает в себя набор магнитов с полюсными наконечниками, расположенными на водоохлаждаемом магнитопроводе. Суть метода заключается в использовании плазмы инертного газа для распыления необходимого материала в вакууме. Распыляемый материал впоследствии осаждается на требуемую подложку за счет разности потенциалов. Самым весомым недостатком данного метода является использование рабочего газа (аргона), что ухудшает качество вакуума.

Известен способ получения покрытий в вакууме [Патент РФ №2176681, МПК С23С 14/00, опубл. 10.12.2001]. Сущность изобретения заключается в поджиге разряда в области генерирования с помощью лазерного излучения. Недостатками данного способа является появление капельной фазы в момент распыления и необходимость ее сепарации до момента осаждения на требуемую подложку.

Наиболее близким аналогом является способ лазерно-термовакуумного конденсационного напыления покрытия [Патент РФ №2170284, МПК С23С 14/24, опубл. 10.07.2001]. Суть способа заключается в одновременном нагреве тигля с помощью резистивного нагрева и лазерного излучения. В последствии происходит испарении материала с тигля и его конденсация на подложку.

Основным недостатком способа является использование большой мощности лазерного излучения и высоких температур для нагрева тигля. Это приводит к появлению капельной фазы на образующейся пленке.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшения оптических и структурных свойств напыляемых покрытий за счет использования плазмы из собственных ионов распылительной мишени и использовании прецизионно низкой мощности лазерного излучения.

Технический результат достигается тем, что в способе нанесения нанопленочного покрытия на подложку, включающем напыление пленочного материала на подложку с использованием лазерного излучения, новым является то, что осуществляют импульсно-плазменное напыление материала мишени на подложку в высоком вакууме с созданием плазмы лазерным излучением и с использованием магнетрона, на который импульсно подают напряжение от источника питания с внутренним конденсатором, при этом мишень устанавливают на магнетрон, для зажигания плазмы используют импульсный эксимерный ультрафиолетовый лазер и ионы материала мишени, а время зарядки и разрядки конденсатора источника питания устанавливают меньше времени следования лазерного импульса.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что осуществляют импульсно-плазменное напыление материала мишени на подложку в высоком вакууме с созданием плазмы лазерным излучением и с использованием магнетрона, на который импульсно подают напряжение от источника питания с внутренним конденсатором, при этом мишень устанавливают на магнетрон, для зажигания плазмы используют импульсный эксимерный ультрафиолетовый лазер и ионы материала мишени, а время зарядки и разрядки конденсатора источника питания устанавливают меньше времени следования лазерного импульса.

Перечисленные выше признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

При изучении других известных технических решений в данной области техники, эти признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».

На чертеже представлена блок-схема установки для реализации способа импульсно-плазменного напыления с лазерным поджигом.

Блок схема включает: вакуумную камеру 1, магнетрон с установленной на нем мишенью из алюминия высокой чистоты 2, а также подложкодержатель с подложкой из покровного материала 3, импульсный эксимерный лазер 4, фокусирующую линзу установленную на оптической скамье 5, фланец с кварцевым окном 6, импульсный источник питания магнетрона 7, персональный компьютер 8.

Способ реализуется следующим образом:

Внутри вакуумной камеры 1 располагают магнетрон с установленной на нем мишенью из алюминия высокой чистоты 2, а также подложкодержатель с подложкой из покровного стекла 3. Подложка предварительно не нагревается. Производят откачку вакуумной камеры с остаточным давление не более чем 10-6 Торр. В качестве источника лазерного излучения используют импульсный эксимерный ультрафиолетовый лазер 4. Лазерное излучение в вакуумную камеру подводят с помощью фокусирующей линзы 5 через кварцевое окно фланца 6, расположенного на камере. Лазер работает в импульсном режиме, один импульс длится 30 наносекунд. Частота импульсов 10 Гц. На мишень 3 падает лазерное излучение с длиной волны 308 нм длительностью 30 не с частотой следования импульсов 10 Гц. Мощность каждого импульса 10~20 мДж. Для питания магнетронной системы используют импульсный источник питания с регулируемым напряжением 7. При помощи источника питания на мишень (катод) подают напряжение -700 В относительно корпуса камеры. При подаче лазерного излучения на мишень происходит стравливание собственных атомов алюминия и зажигание плазмы на их основе. Продолжительность горения плазмы на основе ионов алюминия ~1 мс. После прекращения горения плазмы происходит зарядка внутреннего конденсатора источника питания за время ~1 мс. Далее данный процесс повторяют за счет следования очередного импульса лазерного излучения. Время заряда (разряда) конденсатора подобрано таким образом, чтобы оно было меньше времени следования очередного импульса. Для настройки и контроля процесса напыления используют стационарный персональный компьютер 8. При данных условиях за 2 минуты получают тонкую пленку алюминия толщиной ~100 нм. Интегральный коэффициент отражения в видимой области спектра определяют на оптическом спектрофотометре. Коэффициент отражения тонкой пленки алюминия составлял ~97%. Визуально, получившаяся тонкая пленка не содержала капельной фазы.

Способ нанесения нанопленочного покрытия на подложку, включающий напыление пленочного материала на подложку с использованием лазерного излучения, отличающийся тем, что осуществляют импульсно-плазменное напыление материала мишени на подложку в высоком вакууме с созданием плазмы лазерным излучением и с использованием магнетрона, на который импульсно подают напряжение от источника питания с внутренним конденсатором, при этом мишень устанавливают на магнетрон, для зажигания плазмы используют импульсный эксимерный ультрафиолетовый лазер и ионы материала мишени, а время зарядки и разрядки конденсатора источника питания устанавливают меньше времени следования лазерного импульса.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к способу упрочнения рабочих лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к плазменной химико-термической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в машиностроении для повышения износостойкости и коррозионной стойкости деталей машин.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для упрочняющей обработки пера рабочих лопаток компрессора газотурбинного двигателя или газотурбинной установки из высоколегированных сталей или сплавов на никелевой основе.
Изобретение относится к способу получения многослойного защитного покрытия лопаток турбомашин из титановых сплавов. Способ включает вакуумно-плазменное осаждение легирующих элементов хрома, алюминия и иттрия на поверхность лопаток и термическую обработку.

Использование: изобретение относится к способу получения многослойной детали из титанового сплава. Осуществляют ионно-имплантационное модифицирование листовой детали из титанового сплава путем ионной имплантации азота, углерода или бора с энергией 30-50 кэВ, плотностью тока 35-50 мкА/см2 и флюэнсом 1016-1018 ион/см2 и постимплантационного отжига при температуре 450-550°С и давлении остаточных газов 10-3-5×10-3 Па в течение 1,5-3,5 ч.

Изобретение относится к нанесению покрытия на поверхность стального изделия, применяемого для защиты от эрозионного износа рабочих лопаток влажнопаровых ступеней турбин, эксплуатирующихся в экстремальных условиях.

Изобретение относится к области технологий по упрочнению поверхностных слоев металлических деталей, сочетающих лазерные и водородные технологии по созданию наклепа поверхностных слоев деталей машин, подвергающихся знакопеременным нагрузкам, и может быть использовано в технологии изготовления лопаток компрессоров и турбин, применяемых в самолетостроении.

Способ включает в себя формирование заданной периодической микроструктуры на поверхности полированного алмаза с помощью имплантации ионами бора с энергией 10-100 кэВ, дозой облучения 1⋅1015-1.0⋅1020 ион/см2 через поверхностную маску.

Изобретение относится к способам защиты металлов от коррозии, в частности к способу нанесения защитного покрытия на подложку из железа, и может быть использовано для изготовления изделий и деталей, работающих в агрессивных средах, для нефтяной, газовой, химической и других отраслей промышленности.
Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к модификации изделий из твердых сплавов, применяемых в машиностроении для холодной и горячей механической обработки неметаллов, металлов и металлических сплавов, например, фрезерованием.

Изобретение относится к области прозрачных износостойких сверхтвердых покрытий, наносимых на прозрачные изделия, и может быть использовано для защиты стекла от царапания и износа в оптических устройствах и экранах дисплеев.

Изобретение относится к области износостойких покрытий на основе соединения борида алюминия–магния и может быть использовано для изготовления инструмента и различных деталей.

Изобретение относится к напылению электропроводящего металл-углеродного многослойного покрытия на ленточную подложку из нетканого волокнистого материала, включающему подачу рабочего газа в вакуумную камеру с подложкой и ионно-плазменное напыление слоев покрытия на движущуюся с постоянной скоростью ленточную подложку магнетронным распылением.

Изобретение относится к магнетронному распылению составной мишени, выполненной из плоской нижней базовой части и, по меньшей мере, одной верхней накладной части мишени, изготовленных из двух компонентов осаждаемого на подложку материала пленки.

Изобретение относится к способу нанесения покрытия на заготовку (варианты). Выполняют покрытие, содержащее по меньшей мере один слой TixSi1-xN, где x≤0,85.

Изобретение относится к области устройств, используемых для нанесения на изделия нанопокрытий методом магнетронного распыления. Корончатый подложкодержатель содержит корпус, подложконесущую поверхность (ПНП), выполненную секционной, с образованием подвижного соединения секций с опорой, установленной в корпусе подложкодержателя, при этом секции оснащены управляемыми автономными приводами перемещений относительно опоры, которая выполнена в виде приводной рамы, установленной с возможностью совершения цикловых перемещений относительно вертикальной оси, а ПНП выполнена с возможностью раскрытия, складывания и фиксации в любом промежуточном положении посредством управляемых автономных приводов перемещений и автономных устройств управления последовательностью перемещений.
Изобретение относится к способу получения компонента с заданным уровнем блеска. Способ включает этапы: подготовка компонента с по меньшей мере одним металлическим слоем, где данный по меньшей мере один металлический слой образует поверхность компонента, получение матово-глянцевой смеси путем смешения глянцевого лака и матового лака в заранее определенном соотношении, нанесение матово-глянцевой смеси на металлическую поверхность компонента, сшивка матово-глянцевой смеси, так что на металлической поверхности компонента оказывается нанесен слой из сшитой смеси глянцевого лака и матового лака.

Изобретение относится к способам формирования пористого оксидного материала и может быть использовано для разработки анодных материалов литий-ионных батарей и суперконденсаторов нового поколения, чувствительных элементов газовых сенсоров.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к плазменной химико-термической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в машиностроении для повышения износостойкости и коррозионной стойкости деталей машин.

Изобретение относится к магнетронному распылению составной мишени с частями, изготовленными из отдельных компонентов осаждаемого на подложку материала пленки. Подготавливают тонкие плоские шаблоны, имеющие форму и соответствующую заданному изменению состава осаждаемого на подложку материала пленки площадь рабочих участков поверхностей распыления верхних накладных частей мишени, представляющих собой площадки, занимаемые ими в контуре зоны распыления.

Изобретение относится к медицине. Описан ультраволокнистый биополимерный материал с бактерицидным эффектом на основе полигидроксибутирата, полилактида или их смесей с комплексами марганца(III) с тетрафенилпорфирином в количестве 1-5 мас.%, полученный методом электростатического формования.

Изобретение относится к способу нанесения нанопленочного покрытия на подложку и может быть использовано для получения нанопокрытий на поверхностях различных подложек при невысокой температуре. Осуществляют импульсно-плазменное напыление с лазерным поджигом. Используют импульсный режим работы эксимерного ультрафиолетового лазера и собственные ионы материала мишени для создания рабочей плазмы. Используют ультрафиолетовое излучение с прецизионно низкой мощностью для начального поджига при создании рабочей плазмы и используют импульсный режим работы источника питания магнетрона с временем работы меньше, чем частота следования лазерных импульсов. Техническим результатом изобретения является улучшение оптических и структурных свойств напыляемых покрытий за счет использования плазмы из собственных ионов распылительной мишени и использования прецизионно низкой мощности лазерного излучения. 1 ил.

Наверх