RU2382119C1 - Способ плазменного осаждения полимерных покрытий и установка для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу и устройству плазменного осаждения полимерных покрытий. Обрабатываемые образцы помещают в вакуумную камеру. Заполняют вакуумную камеру реакционным газом, содержащим, по меньшей мере, один способный к плазменной полимеризации газ-мономер. Генерируют плазму посредством зажигания и поддержания двухступенчатого тлеющего разряда в двух пространственно разделенных разрядных объемах и осаждают полимерное покрытие на поверхность обрабатываемого образца. Первый разрядный объем отделяют от второго разрядного объема с помощью перфорированного электрода, размер отверстий в котором превышает 0,1 мм. Обрабатываемый образец устанавливают на электроде, который размещают во втором разрядном объеме напротив перфорированного электрода. На электрод, служащий держателем обрабатываемого образца, подают потенциал смещения относительно перфорированного электрода. В первом разрядном объеме могут использоваться различные виды газового разряда: индукционный высокочастотный разряд, емкостный высокочастотный разряд, разряд постоянного тока. Разряд может поддерживаться в импульсной форме. В процессе плазменной полимеризации регулируют расстояние между перфорированным электродом и электродом, служащим держателем обрабатываемого образца. Изобретение позволяет обеспечить независимое регулирование скорости осаждения полимерного покрытия, структуры и свойств осаждаемого покрытия при высокой производительности технологического процесса. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к плазменной технологии нанесения покрытий на металлические и диэлектрические подложки, а более конкретно к технологии плазменной полимеризации и оборудованию, применяемому для данного вида технологий.

В настоящее время известны различные методы плазменной полимеризации и установки, используемые для осуществления процессов полимеризации.

В европейской заявке ЕР 0152256 А2 (МПК G02В 1/10, опубликована 21.08.1985) описан способ плазменного нанесения полимерных покрытий на оптические изделия и установка для его реализации. Решаемая задача заключается в создании на поверхности оптического изделия (линзы) полимерного покрытия. Наносимое защитное покрытие должно препятствовать образованию пятен масла или жира на поверхности изделия. Известный способ заключается в зажигании и поддержании высокочастотного разряда в смеси кислорода и углеводородов, в качестве которых предпочтительно используют алифатические углеводороды. В плазму разряда помещается подложка, на которую из разрядного объема осаждается полимерное покрытие, обладающее заданными свойствами. Установка для осуществления способа включает в свой состав вакуумную камеру с системой откачки газа, систему подачи в вакуумную камеру реакционного газа, газоразрядное устройство с двумя электродами, подключенными к источнику высокочастотного напряжения, и держатель с обрабатываемым образцом, размещенный между разрядными электродами.

В патенте США US 4693799 (МПК С07С 3/24, опубликован 15.09.1987) раскрыт способ осаждения полимерного покрытия на пленку, перемещаемую между электродами через разрядный объем, в котором генерируется плазма с помощью импульсного высокочастотного разрядного устройства. Разрядный объем заполняется смесью углеводородов или смесью органометаллических соединений. Оптимальные временные характеристики разряда выбираются в зависимости от используемого реакционного газа. Полученное покрытие на пленке обладает малым коэффициентом трения, высоким сроком службы, высокой прочностью, а сама пленка при ее использовании не требует дополнительной смазки. Установка для осуществления способа включает в свой состав вакуумную камеру со средствами откачки и заполнения камеры реакционным газом. Обрабатываемая пленка перемещается с помощью лентопротяжного механизма между электродами, подключенными к импульсному высокочастотному источнику напряжения.

В другом способе плазменного осаждения покрытий (международная заявка WO 91/12092, МПК B05D 3/06, 3/14, 3/00, 3/02, опубликована 22.08.1991) для нанесения защитного антикоррозионного покрытия на стальную подложку используется низкотемпературная плазма газообразных углеводородов. Генерация плазмы осуществляется посредством зажигания разряда постоянного тока между разрядными электродами. Обрабатываемая стальная подложка выполняет функцию катода в разрядном устройстве. Аноды устанавливаются вокруг катода и снабжаются магнитной системой, генерирующей защитное магнитное поле над их поверхностью. В качестве источников магнитодвижущей силы используются магнетроны. Рабочий газ, способный к плазменной полимеризации, подают вместе с инертным газом в вакуумную камеру на стадии предварительной обработки подложки и в процессе осаждения органосилановой пленки на обрабатываемую подложку.

Известен также способ плазменного осаждения полимерных покрытий, включающий заполнение разрядной камеры реакционным газом, содержащим, по меньшей мере, один способный к плазменной полимеризации газ-мономер, зажигание и поддержание импульсно-периодического газового разряда с повторяющейся последовательностью импульсов (Патент РФ №2190484, МПК B05D 3/06, опубликован 10.10.2002). В процессе плазменной полимеризации происходит осаждение полимерного покрытия на поверхность обрабатываемого образца, который перемещают через разрядный объем. В частности, в качестве обрабатываемого образца служила алюминиевая фольга, которая подключалась к импульсному источнику тока и выполняла функцию анода. Над алюминиевой фольгой размещалась сборка полых катодов. Для удержания электронов в разрядном объеме применялась внешняя магнитная система, с помощью которой в полости вакуумной камеры создавалось спадающее к центру разрядной камеры неоднородное стационарное магнитное поле.

Установка для осуществления способа плазменного осаждения полимерных покрытий включает в свой состав вакуумную камеру с системой откачки газа, систему подачи реакционного газа, содержащего ацетилен и азот, и газоразрядное устройство, обеспечивающее зажигание и поддержание импульсно-периодического газового разряда. Разрядные электроды устройства подключаются через систему согласования к источнику импульсно-периодических высокочастотных сигналов.

В способе формирования полимерного покрытия, описанном в европейской заявке ЕР 0002889 А2 (МПК C08F 2/52, опубликована 11.07.1979), генерация плазмы осуществляется посредством зажигания тлеющего разряда. Металлическая подложка, на которую осаждается полимерное покрытие, выполняет функции пассивного электрода емкостного высокочастотного разряда. Противоположный разрядный электрод подключается к источнику высокочастотного напряжения. В качестве реакционного газа-мономера в известном методе применяют фторированный углеводородный газ.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ плазменного осаждения полимерных покрытий и установка для его осуществления, которые раскрыты в международной заявке WO 99/27156 (МПК С23С 16/44, опубликована 03.06.1999). Способ-аналог заключается в осуществлении процесса плазменной полимеризации покрытия, осаждаемого на металлическую поверхность обрабатываемого образца. Процесс осаждения производится посредством генерации плазмы с помощью газоразрядного устройства, обеспечивающего зажигание и поддержание разряда в режиме постоянного тока и в импульсном режиме.

На аноде устанавливают обрабатываемый металлический образец, откачивают разрядную камеру до заданного уровня вакуума и подают в камеру реакционную смесь газов, содержащую ненасыщенный алифатический углеводородный газ-мономер (ацетилен) или фторсодержащий газ-мономер и неполимеризующийся газ (азот), до достижения заданного давления в камере. Парциальное давление неполимеризующегося газа выбирается в диапазоне от 50% до 90% от общего давления смеси газов. На электроды подают напряжение, необходимое для зажигания электрического разряда, в результате чего генерируется плазма с положительными и отрицательными ионами и радикалами ненасыщенных алифатических углеводородов и неполимеризующегося газа. В процессе плазменной полимеризации на поверхности анода и обрабатываемого образца формируется полимерное покрытие, обладающее гидрофильными или гидрофобными свойствами в зависимости от выбора реакционной смеси газов и параметров разряда. При использовании высокочастотного разряда полимерное покрытие может наноситься на керамические или полимерные образцы.

Установка, предназначенная для осуществления способа плазменного осаждения полимерных покрытий, содержит вакуумную камеру с системой откачки газа, которая включает в свой состав роторный и диффузионный насосы. С вакуумной камерой соединены трубопроводы подачи ацетилена и азота. Газоразрядное устройство состоит из центрального электрода, на котором устанавливается обрабатываемый образец, и периферийных заземленных электродов. Центральный электрод, служащий анодом, подключен к положительному полюсу источника электропитания. Периферийные электроды выполняют функцию катодов и образуют разрядный объем.

Известный способ-аналог позволяет получать покрытия с повышенной адгезией для последующей покраски и высокой коррозионной стойкостью. Однако нанесение полимерных покрытий при реализации способа происходит с недостаточной скоростью. Кроме того, в процессе осаждения покрытия из смеси реакционного газа, содержащего ацетилен и азот, образуются достаточно крупные макрочастицы пыли за счет агломерации полимеров. Попадая на обрабатываемый образец, такие макрочастицы ухудшают качество наносимого покрытия.

При осуществлении перечисленных выше способов-аналогов в прикатодных областях разряда постоянного тока или в приэлектродных областях высокочастотного разряда генерируются быстрые электроны, обеспечивающие эффективную диссоциацию исходных газов и образование радикалов-мономеров, положительных и отрицательных ионов. В приэлектродных областях инициируется процесс объединения мономеров в цепочки. Образовавшиеся в приэлектродных областях полимерные цепочки, мономеры, атомы и ионы неполимеризующегося газа диффундируют в объем плазмы, заполняющей разрядный промежуток, в том числе в область размещения обрабатываемых образцов.

В результате проведенных экспериментальных исследований было установлено, что в процессе плазменного осаждения полимерных покрытий на образец, служащий анодом, скорость осаждения покрытия прямо пропорциональна току, текущему на образец. Таким образом, скорость осаждения покрытия непосредственно зависит от переноса заряженных частиц на обрабатываемый образец. При этом структура осаждаемого покрытия и свойства полимерного покрытия зависят от концентрации мономеров, находящихся в разрядном объеме, и скорости их полимеризации.

В то же время известно, что при горении тлеющего разряда увеличение разрядного тока, т.е. увеличение тока на обрабатываемый образец, сопровождается ростом величины катодного падения потенциала. В этом случае увеличивается концентрация и энергия электронов в прикатодной области разряда, что обуславливает рост концентрации мономеров в разрядном объеме и повышение скорости полимеризации. Вследствие этого при осуществлении процесса плазменной полимеризации с помощью известных методов невозможно независимо регулировать концентрацию мономеров и скорость полимеризации в разрядном объеме, с целью управления структурой и свойствами осаждаемого покрытия, и одновременно регулировать скорость осаждения полимерного покрытия.

В основу настоящего изобретения положены технические задачи, связанные с осуществлением непрерывного процесса плазменного осаждения полимерных покрытий с высокой скоростью и обеспечением возможности независимого управления скоростью осаждения полимерного покрытия, а также структурой и свойствами покрытия.

Решение указанных технических задач позволяет повысить производительность технологического процесса за счет независимого регулирования скорости осаждения покрытия и свойств осаждаемого полимерного покрытия в соответствии с заданными требованиями.

Достижение технических результатов обеспечивается при осуществлении способа плазменного осаждения полимерных покрытий, который включает следующие операции: помещение обрабатываемого образца в вакуумную камеру, заполнение вакуумной камеры реакционным газом, содержащим, по меньшей мере, один способный к плазменной полимеризации газ-мономер, генерацию плазмы и осаждение полимерного покрытия на поверхность обрабатываемого образца в процессе плазменной полимеризации.

Генерацию плазмы, согласно настоящему изобретению, осуществляют посредством зажигания и поддержания двухступенчатого тлеющего разряда в двух пространственно разделенных разрядных объемах. Первый разрядный объем отделяют от второго разрядного объема с помощью перфорированного электрода, размер отверстий (поперечного сечения отверстий) в котором превышает 0,1 мм. Данный минимальный размер отверстий перфорированного электрода соответствует радиусу Дебая (дебаевскому радиусу экранирования), рассчитанному для параметров плазмы тлеющего разряда, генерируемой в первом разрядном объеме. Обрабатываемый образец устанавливают на электроде, который размещают во втором разрядном объеме напротив перфорированного электрода. После этого подают на электрод, служащий держателем образца, положительный или отрицательный потенциал смещения относительно перфорированного электрода.

Технические результаты достигаются вследствие протекания следующих физико-химических процессов и явлений.

Способ, обеспечивающий плазменное осаждение полимерных покрытий с регулируемыми в процессе обработки свойствами, основан на использовании для генерации плазмы двухступенчатого тлеющего разряда. В первой ступени разряда производится диссоциация первичных газов, входящих в состав реакционной смеси, образование мономеров и полимеризация мономеров. С помощью второй ступени разряда создается направленный поток химически активных частиц и полимерных цепочек, образующих полимерное покрытие на поверхности обрабатываемого образца.

Зажигание и поддержание тлеющего разряда в первом разрядном объеме осуществляется с помощью газоразрядного устройства. При изменении параметров газоразрядного устройства, в том числе электрической мощности, подводимой к электродам, парциального давления компонентов реакционного газа, геометрических размеров электродов, размера межэлектродного промежутка, изменяется скорость диссоциации реакционного газа, концентрация мономеров и длина полимерных цепочек, образующихся в первом разрядном объеме. Регулирование свойств полимерного покрытия в конкретном технологическом процессе может осуществляться посредством изменения напряжения, подаваемого на разрядные электроды, и/или за счет изменения расстояния между перфорированным электродом и электродом, служащим держателем обрабатываемого образца.

Использование перфорированного электрода, разделяющего первый и второй разрядные объемы позволяет производить независимое регулирование скоростью осаждения и свойствами покрытия. Для этого размер отверстий, выполненных в перфорированном электроде, должен быть больше радиуса Дебая, который рассчитывается по параметрам плазмы, генерируемой в первом разрядном объеме, и составляет для усредненных параметров тлеющего разряда 0,1 мм. На выбранном расстоянии в плазме тлеющего разряда происходит экранирование электрического поля заряженных частиц, генерируемых в межэлектродном промежутке, что позволяет химически активным частицам (радикалам-мономерам, электронам и ионам) и первичным полимерным цепочкам беспрепятственно диффундировать из первого разрядного объема во второй разрядный объем, в котором расположен обрабатываемый образец. Образование полимерных покрытий на поверхности обрабатываемого образца происходит в результате взаимодействия химически активных частиц, образовавшихся в первом разрядном объеме, с поверхностью образца во втором разрядном объеме.

При изменении потенциала образца, установленного на электроде, изменяется интенсивность потока частиц и, соответственно, скорость осаждения полимерного покрытия. Вместе с тем свойства осаждаемого полимерного покрытия и его структура будут определяться характерными особенностями полимерных цепочек, образующихся в первом разрядном объеме, т.е. в зависимости от процессов, протекающих в первой ступени газоразрядного устройства.

В первом разрядном объеме может использоваться индукционный высокочастотный разряд. В этом случае концентрация мономеров и первичных полимерных цепочек в первом разрядном объеме регулируется посредством изменения величины мощности, подводимой к плазме через индуктор. Скорость осаждения полимерного покрытия независимо регулируется путем изменения потенциала электрода, на котором установлен обрабатываемый образец, относительно перфорированного электрода и, соответственно, относительно плазмы тлеющего разряда.

В первом разрядном объеме может зажигаться и поддерживаться емкостный высокочастотный разряд между разрядными электродами, в качестве одного из которых используется перфорированный электрод. Регулирование свойств полимерного покрытия и скорости осаждения покрытия в данном варианте реализации способа происходит аналогичным образом.

Возможно также зажигание и поддержание в первом разрядном объеме тлеющего разряда постоянного тока между разрядными электродами, в качестве одного из которых используют перфорированный электрод.

Высокочастотный разряд или разряд постоянного тока может использоваться в первом разрядном объеме в форме импульсного разряда. Как известно, при переходе от стадии пробоя разрядного промежутка к стационарной стадии развития разряда концентрация электронов увеличивается за короткий промежуток времени на несколько порядков. На переходной стадии разряда средняя энергия электронов значительно выше, чем на установившемся режиме разряда. Известно также, что процессы возбуждения, ионизации и диссоциации молекул существенным образом зависят от средней энергии электронов, поэтому короткие импульсные процессы на переходных стадиях разряда оказываются более эффективными по сравнению со стационарной стадией разряда. Увеличение скорости диссоциации, в свою очередь, приводит к увеличению концентрации радикалов-мономеров в разрядном объеме. Вследствие этого увеличивается скорость полимеризации.

Длительность импульса разрядного напряжения выбирается не менее времени, требующегося для достижения максимальной скорости образования радикалов-мономеров. Оптимальные значения длительности импульса разряда составляют от 10 мкс до 100 мс.

Время жизни радикалов в разрядном объеме после прекращения электропитания разряда существенно превышает время жизни электронов, поэтому интервал между импульсами разряда должен быть больше времени ухода электронов на стенки камеры, но меньше времени жизни радикалов в разрядном объеме. Предпочтительно интервал между импульсами разряда выбирается от 10 мкс до 100 мс.

В зависимости от состава реакционного газа и заданных свойств полимерного покрытия потенциал смещения, подаваемый на электрод, служащий держателем обрабатываемого образца, может быть положительной или отрицательной полярности. Величина потенциала смещения преимущественно регулируется в диапазоне от 50 В до 500 В. Регулирование скорости плазменного осаждения полимерного покрытия на обрабатываемый образец может осуществляться также путем изменения положения электрода, установленного во втором разрядном объеме, относительно перфорированного электрода. В этом случае скорость осаждения химически активных частиц на поверхности обрабатываемого образца зависит от расстояния между электродами, которое регулируется в процессе плазменной полимеризации.

Технические результаты достигаются также при использовании установки для плазменного осаждения полимерных покрытий, которая включает в свой состав вакуумную камеру, газоразрядное устройство, систему электропитания газоразрядного устройства, держатель обрабатываемого образца, систему откачки газа из полости вакуумной камеры и систему подачи в вакуумную камеру реакционного газа.

Газоразрядное устройство, согласно настоящему изобретению, выполнено двухступенчатым и состоит из двух пространственно разделенных разрядных объемов, между которыми установлен перфорированный электрод с размером отверстий не менее 0,1 мм. Данный минимальный размер отверстий в перфорированном электроде определяется по величине радиуса Дебая, рассчитанного для характеристик плазмы тлеющего разряда, который зажигают и поддерживают в первом разрядном объеме. Во втором разрядном объеме напротив перфорированного электрода расположен электрод, служащий держателем обрабатываемого образца. Система электропитания газоразрядного устройства включает в свой состав источник напряжения, к которому подключены перфорированный электрод и электрод, служащий держателем обрабатываемого образца.

Тлеющий разряд в первом разрядном объеме может создаваться с помощью генератора индукционного высокочастотного разряда. В другом варианте выполнения в качестве первой ступени газоразрядного устройства используется генератор емкостного высокочастотно разряда, включающий в свой состав два разрядных электрода, одним из которых служит перфорированный электрод. Для электропитания газоразрядного устройства может использоваться источник напряжения, обеспечивающий генерацию импульсов напряжения с целью зажигания и поддержания в первом разрядном объеме импульсного высокочастотного разряда.

Разряд в первом разрядном объеме может создаваться с помощью генератора тлеющего разряда постоянного тока, включающего в свой состав два разрядных электрода, в качестве одного из которых используется перфорированный электрод. Генератор разряда может быть выполнен с возможностью работы в импульсном режиме.

Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера реализации и прилагаемым чертежом (см. фиг.1), на котором изображена схема установки для плазменного осаждения полимерных покрытий.

В качестве примера реализации изобретения приведено описание способа плазменного осаждения полимерных покрытий и установки, предназначенной для осуществления способа, при использовании в первом разрядном объеме генератора емкостного высокочастотного разряда, работающего в импульсном режиме.

Установка, используемая в технологическом процессе плазменного осаждения полимерных покрытий, входит в состав плазмохимического реактора и содержит вакуумную камеру 1, систему 2 откачки газов, патрубок 3 системы подачи реакционного газа, газоразрядное устройство и систему электропитания газоразрядного устройства. Газоразрядное устройство выполнено двухступенчатым и состоит из двух пространственно разделенных разрядных объемов. В первом разрядном объеме расположен разрядный электрод 4 и перфорированный электрод 5, выполненный в виде стальной сетки с прозрачностью 90%. В рассматриваемом примере реализации изобретения перфорированный электрод 5 находится под потенциалом земли. Минимальный размер поперечного сечения отверстий 6, образованных в перфорированном электроде 5, равен 2 мм, т.е. значительно больше радиуса Дебая, рассчитанного для плазмы тлеющего разряда и составляющего 0,1 мм. Перфорированный электрод 5 отделяет первый разрядный объем от второго разрядного объема, расположенного между тыльной стороной перфорированного электрода 5 и электродом 7, на котором установлен обрабатываемый образец 8.

Межэлектродное расстояние в первом разрядном объеме между разрядным электродом 4 и перфорированным электродом 5 составляет 12 см и может регулироваться (до начала технологического процесса) в диапазоне от 10 до 15 см. Межэлектродное расстояние во втором разрядном объеме между перфорированным электродом 5 и электродом 7, служащим держателем обрабатываемого образца 8, составляет 3 см и может регулироваться в процессе обработки в диапазоне от 1 до 5 см за счет применения механизма перемещения электрода 7 (на чертеже не показан).

Система электропитания газоразрядного устройства включает в свой состав источник импульсов высокочастотного напряжения (ИВН) 9, к которому подключен разрядный электрод 4, и источник напряжения смещения (ИНС) 10. При этом перфорированный электрод 5 заземлен, а электрод 7, служащий держателем обрабатываемого образца 8, подключен к положительному полюсу источника напряжения смещения 10.

Способ плазменного осаждения полимерных покрытий осуществляется с помощью описанной выше установки следующим образом.

Перед началом технологического процесса плазменного осаждения полость вакуумной камеры 1 откачивается с помощью системы 2 откачки газов до уровня остаточного давления ~10^-3 Па. После этого первый разрядный объем заполнялся через патрубок 3 системы подачи реакционного газа реакционным газом, содержащим газ-мономер, способный к плазменной полимеризации. В качестве реакционного газа в рассматриваемом примере реализации изобретения использовалась смесь ацетилена и азота в равных объемных долях при общем давлении смеси газов 5 Па.

При подаче импульсов высокочастотного напряжения на разрядный электрод 4 с источника высокочастотного напряжения 9 между электродом 4 и заземленным перфорированным электродом 5 зажигался импульсный емкостный высокочастотный разряд. Электрическая мощность, подводимая к разрядному промежутку от источника высокочастотного напряжения, составляла 200 Вт. При межэлектродном расстоянии 12 см разрядное напряжение находилось на уровне 1000 В.

Длительность импульсов высокочастотного напряжения варьировалась в диапазоне от 10 мкс до 100 мс. При данном интервале значений длительности импульсов питания тлеющий разряд поддерживался в импульсном режиме. В этих условиях достигалась максимальная скорость образования химически активных частиц за счет резкого увеличения средней энергии электронов на переходной стадии тлеющего разряда: от пробоя к установившемуся разряду. В приэлектродных областях 11 высокочастотного разряда образуются быстрые электроны, которые осуществляют эффективную диссоциацию реакционного газа в области 12 плазмы тлеющего разряда. Под воздействием быстрых электронов образуются радикалы-мономеры, положительные и отрицательные ионы, диффундирующие в область 12, где происходит объединение образовавшихся мономеров в полимерные цепочки.

При подаче на электрод 7, на котором установлен обрабатываемый образец 8, положительного потенциала смещения величиной 250 В относительно заземленного перфорированного электрода 5 возникает ток величиной ~200 мА. Потенциал смещения подавался на электрод 7 с источника напряжения смещения 10, подключенного между электродами 5 и 7. Величина потенциала смещения изменялась в процессе управления скоростью осаждения в диапазоне от 50 до 500 В с помощью регулируемого источника напряжения смещения 10.

Протекающий между электродами 5 и 7 ток характеризует перенос отрицательно заряженных частиц из первого разрядного объема на образец 8 через второй разрядный объем. При этом скорость осаждения полимерного покрытия на образец 8 прямо пропорциональна электрическому току, протекающему на электрод 7.

Перенос химически активных частиц и образовавшихся полимерных цепочек из первого разрядного объема во второй разрядный объем осуществлялся через отверстия 6, выполненные в перфорированном электроде 5. При размере отверстий более радиуса Дебая, т.е. более 0,1 мм для параметров тлеющего разряда в первом разрядном объеме, отрицательно заряженные частицы вместе с нейтральными химически активными частицами беспрепятственно перемещались из первого разрядного объема во второй разрядный объем. Вследствие определенного выбора размера отверстий 6 происходило экранирование в области отверстий электрического поля, обусловленного разделением разноименных зарядов.

Полимерное покрытие на поверхности обрабатываемого образца 8 образовывалось в результате взаимодействия химически активных частиц и первичных полимерных цепочек с обрабатываемой поверхностью. Регулирование скорости осаждения полимерного покрытия производилось посредством изменения величины положительного потенциала смещения в диапазоне (50÷500) В либо путем перемещения электрода 7 вместе с обрабатываемым образцом 8 относительно перфорированного электрода 5. Регулирование положения электрода 7 осуществлялось с помощью управляемого механизма перемещения электрода (на чертеже не показан) в диапазоне межэлектродных расстояний от 1 до 5 см. При изменении величины потенциала смещения от 50 до 500 В электрический ток, переносимый на электрод 7 и образец 8, соответственно увеличивался от 20 до 300 мА. Соответствующим образом увеличивалась и скорость осаждения полимерного покрытия на образец 8.

В процессе осаждения полимерных покрытий на образец 8 производилось регулирование структуры и свойств осаждаемого покрытия независимо от процессов, протекающих во втором разрядном объеме, т.е. вне зависимости от текущей скорости осаждения покрытия. В результате проведенных исследований было установлено, что структура и физико-химические свойства покрытия, образуемого на поверхности обрабатываемого образца 8, зависят от концентрации химически активных частиц-мономеров, находящихся в первом разрядном объеме, и от скорости их полимеризации.

Таким образом, изменяя мощность, подводимую к разрядному промежутку первого разрядного объема, можно регулировать свойства наносимого полимерного покрытия. При увеличении тока тлеющего разряда повышается величина приэлектродного падения потенциала. Из-за этого увеличивается концентрация электронов и повышается энергетическое распределение электронов в приэлектродных областях 11 тлеющего разряда. Увеличение концентрации и энергии электронов в первом разрядном объеме, в свою очередь, непосредственно влияет на скорость образования радикалов-мономеров и ионов.

В рассматриваемом примере реализации изобретения производилось независимое регулирование гидрофильных свойств полимерного покрытия, осаждаемого на образец 8, и скорости осаждения покрытия. За счет регулирования тока разряда в первом разрядном объеме, при фиксированной скорости осаждения покрытия во втором разрядном объеме, на поверхность образца 8 было нанесено полимерное покрытие с высокими гидрофильными свойствами. Краевой угол полимерного покрытия не превышал 20°. В то же время краевой угол полимерного покрытия, осажденного в процессе плазменной полимеризации в случае установки образца 8 на одном из разрядных электродов (4 или 5) в первом разрядном объеме, т.е. при использовании одноступенчатого газоразрядного устройства, составил 83°.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о возможности получения полимерных покрытий с требуемой структурой и заданными свойствами при высокой производительности технологического процесса плазменного осаждения покрытий за счет независимого регулирования скорости образования полимеров и скорости осаждения покрытия.

В рассмотренном выше примере осуществления изобретения использовался определенный вид тлеющего разряда (емкостный высокочастотный) и определенное подключение системы электропитания к электродам газоразрядного устройства, однако это не исключает возможности применения других видов разряда. Так, например, для генерации газового разряда в первом разрядном объеме может применяться индукционный высокочастотный разряд или разряда постоянного тока. Вместе с тем возможны другие варианты реализации изобретения, предусматривающие подачу на перфорированный электрод отрицательного потенциала смещения с целью организации потока положительно заряженных частиц на поверхность обрабатываемого образца. Применение такого рода несущественных изменений определяется конкретными требованиями, предъявляемыми к химическому составу и свойствам покрытия. К таким свойствам, в первую очередь, относятся: гидрофильные или гидрофобные свойства, адгезионные и сорбционные свойства.

Изобретение может использоваться в различных технологических процессах, предназначенных для осаждения полимерных покрытий на обрабатываемые поверхности изделий разнообразного назначения. Способ плазменного осаждения и установка, предназначенная для его осуществления, могут, в частности, применяться в процессах нанесения гидрофильных покрытий, защитных антикоррозионных покрытий и адсорбирующих покрытий.

Claims (14)

1. Способ плазменного осаждения полимерных покрытий, включающий помещение обрабатываемого образца в вакуумную камеру, заполнение вакуумной камеры реакционным газом, содержащим, по меньшей мере, один способный к плазменной полимеризации газ-мономер, генерацию плазмы посредством зажигания и поддержания газового разряда и осаждение полимерного покрытия на поверхность обрабатываемого образца в процессе плазменной полимеризации, отличающийся тем, что генерацию плазмы осуществляют посредством зажигания и поддержания двухступенчатого тлеющего разряда в двух пространственно разделенных разрядных объемах, при этом первый разрядный объем отделяют от второго разрядного объема с помощью перфорированного электрода, размер отверстий в котором превышает 0,1 мм, обрабатываемый образец устанавливают на электроде, служащем держателем обрабатываемого образца, который размещают во втором разрядном объеме напротив перфорированного электрода, и подают на электрод, служащий держателем обрабатываемого образца, потенциал смещения относительно перфорированного электрода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в первом разрядном объеме зажигают и поддерживают индукционный высокочастотный разряд.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в первом разрядном объеме зажигают и поддерживают емкостной высокочастотный разряд между разрядными электродами, в качестве одного из которых используют перфорированный электрод.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в первом разрядном объеме зажигают и поддерживают разряд постоянного тока между разрядными электродами, в качестве одного из которых используют перфорированный электрод.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в первом разрядном объеме зажигают и поддерживают импульсный разряд.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что потенциал смещения регулируют в диапазоне от 50 до 500 В.

7. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что в процессе плазменной полимеризации регулируют расстояние между перфорированным электродом и электродом, служащим держателем обрабатываемого образца.

8. Установка для плазменного осаждения полимерных покрытий, содержащая вакуумную камеру, газоразрядное устройство, систему электропитания газоразрядного устройства, держатель обрабатываемого образца, систему откачки газа из полости вакуумной камеры, систему подачи в вакуумную камеру реакционного газа, отличающаяся тем, что газоразрядное устройство выполнено двухступенчатым и состоит из двух пространственно разделенных разрядных объемов, между которыми установлен перфорированный электрод с размером отверстий не менее 0,1 мм, при этом во втором разрядном объеме напротив перфорированного электрода размещен электрод, служащий держателем обрабатываемого образца, система электропитания газоразрядного устройства включает в свой состав источник напряжения смещения, к которому подключены перфорированный электрод и электрод, служащий держателем обрабатываемого образца.

9. Установка по п.8, отличающаяся тем, что в качестве первой ступени газоразрядного устройства использован генератор индукционного высокочастотного разряда.

10. Установка по п.8, отличающаяся тем, что в качестве первой ступени газоразрядного устройства использован генератор емкостного высокочастотного разряда, включающий в свой состав два разрядных электрода, одним из которых служит перфорированный электрод.

11. Установка по п.10, отличающаяся тем, что генератор емкостного высокочастотного разряда выполнен с возможностью работы в импульсном режиме.

12. Установка по п.8, отличающаяся тем, что в качестве первой ступени газоразрядного устройства использован генератор разряда постоянного тока, включающий в свой состав два разрядных электрода, одним из которых служит перфорированный электрод.

13. Установка по п.12, отличающаяся тем, что генератор разряда постоянного тока выполнен с возможностью работы в импульсном режиме.

14. Установка по одному из пп.7-10, отличающаяся тем, что электрод, служащий держателем обрабатываемого образца, выполнен с возможностью перемещения относительно перфорированного электрода.

Images