RU2676719C1 - Способ низкотемпературного нанесения нанокристаллического покрытия из альфа-оксида алюминия - Google Patents
Способ низкотемпературного нанесения нанокристаллического покрытия из альфа-оксида алюминия Download PDFInfo
- Publication number
- RU2676719C1 RU2676719C1 RU2018105416A RU2018105416A RU2676719C1 RU 2676719 C1 RU2676719 C1 RU 2676719C1 RU 2018105416 A RU2018105416 A RU 2018105416A RU 2018105416 A RU2018105416 A RU 2018105416A RU 2676719 C1 RU2676719 C1 RU 2676719C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- anode
- aluminum
- coating
- product
- alpha
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/08—Oxides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/24—Vacuum evaporation
Abstract
Изобретение относится к способу получения нанокристаллического покрытия из альфа-оксида алюминия с высокой скоростью при пониженной температуре. Способ включает нанесение на поверхность изделия изоструктурного подслоя из оксида хрома, нагрев изделия, плавление и испарение алюминия и осаждение покрытия на поверхность изделия в кислородно-аргоновой плазме разряда в условиях ионной бомбардировки. Концентрация аргон-кислородной плазмы и скорость испарения алюминия регулируют независимо и в широких пределах изменением распределения тока между анодом-тиглем, в котором происходит плавление и испарение алюминия, и полым анодом-ионизатором, через который напускают кислород. Формирование покрытий со структурой альфа-оксида алюминия достигают тем, что при заданном значении скорости испарения алюминия устанавливают величину потенциала смещения на изделиях и ток в цепи анода-ионизатора, при которых обеспечивается требуемая для формирования нанокристаллической альфа-фазы оксида алюминия плотность тока и энергия ионов на поверхности растущего покрытия. Для формирования покрытия со структурой альфа-фазы оксида алюминия со скоростью 3-5 мкм/ч при температуре изделия 600С температура поверхности расплава составляет 950-1000С при плотности ионного тока и потенциале смещения в диапазоне 3-10 мА/сми 25-200 В, соответственно. 2 ил.
Description
Изобретение относится к области нанесения функциональных покрытий на изделиях из металлов и диэлектриков. Покрытия из оксида алюминия характеризуются высокой термостойкостью, химической инертностью, твердостью, прочностью при сжатии, теплоизоляционной способностью и широко применяются для защиты изделий, эксплуатирующихся в условиях высоких температур или воздействия агрессивных сред. По совокупности характеристик наибольший интерес для практического использования представляет термостабильная ромбоэдрическая фаза оксида алюминия (альфа-оксид алюминия), твердость которой достигает 25 ГПа, а температура плавления 2044°С.
Известно применение метода реактивного магнетронного распыления для нанесения покрытий из оксида алюминия [Е. Wallin, Т.I. Selinder, М. Elfwing, U. Helmersson, Synthesis of α-Al2O3 thin films using reactive high-power impulse magnetron sputtering, EPL, 82 (2008) 36002]. Покрытия со структурой альфа-оксида алюминия получают при температуре изделий не менее 650°С. Недостатком метода является низкая скорость роста покрытий, обусловленная образованием на поверхности алюминиевой мишени слоя оксида, коэффициент ионного распыления которого значительно ниже, чем у чистого металла [Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Вып. II. Распыление сплавов и соединений, распыление под действием электронов и нейтронов, рельеф поверхности: Пер. с англ. / Под ред. Р. Бериша. М.: Мир, 1986. 488 с]. Скорость нанесения покрытия методом реактивного магнетронного распыления не превышала 1 мкм/ч.
Наиболее распространенным способом нанесения диэлектрических оксидных покрытий с высокой скоростью (~102 нм/с) является реактивное электронно-лучевое испарение металлов. Известен способ, в котором алюминиевую мишень испаряли сфокусированным пучком электронов с энергией 5-25 кэВ, ионизовали пар и аргон-кислородную газовую смесь с помощь дополнительного сильноточного (400 А) разряда с самонакаливаемым полым катодом и получали покрытия из гамма-оксида алюминия при температуре не менее 700°С [О. Zywitzki, K. Goedicke, Н. Morgner, Structure and properties of Al2O3layers deposited by plasma activated electron beamevaporation, Surface and Coatings Technology 151-152 (2002) 14-20]. Способ обеспечивал высокую плотность ионного тока на поверхности покрытия (вплоть до 75 мА/см2), однако технический результат, заключающийся в получении альфа-оксида алюминия достигнут не был.
Прототипом изобретения является способ низкотепературного (600°С) нанесения нанокристаллического покрытия из альфа-оксида алюминия, в котором осуществляется локальный нагрев алюминиевого катода в дуговом разряде, его испарение в катодных пятнах и осаждение покрытия на металлическую подложку в кислородсодержащей среде [J. Rosen, S. Mraz, U. Kreissig, D. Music, J.M. Schneider, Effect of Ion Energy on Structure and Composition of Cathodic Arc Deposited Alumina Thin Films, Plasma Chemistry and Plasma Processing, V. 25, N. 4, 2005, 303-317]. Известным недостатком метода является наличие микрокапельной фракции материала катода в потоке частиц, поступающих на поверхность обрабатываемых изделий и ухудшающих свойства покрытий. Для сепарации капельной фракции применяются фильтры и специальные электродные системы, что значительно усложняет конструкцию испарителя и снижает скорость роста покрытий. В указанном способе поток ионов, генерируемый в дуге с катодным пятном, имеет широкий энергетический спектр, а плотность ионного тока и скорость роста покрытий не могут изменяться независимо. Таким образом, способ имеет существенные ограничения по регулировке ключевых параметров процесса нанесения покрытий и управлению их структурно-фазовым состоянием.
Предлагаемый способ решает задачу получения нанокристаллических покрытий из альфа-оксида алюминия методом реакционного анодного испарения алюминия. Поставленная задача решается следующим образом. Покрытия наносят способом, в котором используют разряд с самонакаливаемым полым катодом в потоке аргона, электронный ток распределяют между анодом-тиглем, в котором происходит плавление и испарение алюминия, и полым анодом-ионизатором, через который подают кислород. Вначале зажигают разряд в аргоне и увеличивают ток разряда в цепи анода-тигля до значений, обеспечивающих плавление алюминия в полости анода-тигля и его испарение с заданной скоростью. Затем устанавливают величину потенциала смещения на образце, подают кислород через полый анод-ионизатор и увеличивают ток в его цепи до значений, при которых плотность ионного тока на поверхности обрабатываемых изделий при заданных значениях скорости испарения алюминия и потенциала смещения обеспечивают формирование нанокристаллической альфа-фазы оксида алюминия. Для формирования покрытий со структурой альфа-оксида алюминия со скоростью 3-5 мкм/ч при температуре изделий 600°С устанавливают плотность ионного тока и потенциал смещения 3-10 мА/см2 и 25-200 В, соответственно, при температуре поверхности расплава 950-1000°С.
В отличие от прототипа [J. Rosen, S. Mraz, U. Kreissig, D. Music, J.M. Schneider, Effect of Ion Energy on Structure and Composition of Cathodic Arc Deposited Alumina Thin Films, Plasma Chemistry and Plasma Processing, V. 25, N. 4, 2005, 303-317], в предложенном способе поток испаренного материала не содержит микрокапельной фракции, энергия ионов определяется величиной потенциала смещения образцов, а совместное использование анода-тигля и анода-ионизатора с независимо регулируемыми токами электронов обеспечивает раздельное управление скоростью испарения алюминия и плотностью тока ионов на поверхности конденсации испаренных атомов, что позволяет эффективно управлять условиями роста покрытия и, соответственно, его структурно-фазовым состоянием. Самонакаливаемый полый катод способен поддерживать разряд с током, регулируемым в широких пределах (1-100 А), причем ток разряда задается величиной напряжения на разрядном промежутке и потока
аргона, напускаемого в объем катода, и не зависит от давления паров металла и кислорода в анодной области, что позволяет поддерживать требуемый ток в цепи каждого из анодов.
Предложенный способ был реализован на установке, схема которой показана на Фиг. 1. Установка включала вакуумную камеру 1, на верхней крышке которой был установлен катодный узел 2, состоявший из водоохлаждаемого корпуса и самонакаливаемого полого катода с внутренним диаметром 11 мм. Внутри вакуумной камеры 1 размещался неохлаждаемый анод-тигель 3 с диаметром полости 8 мм, и анод-ионизатор 4, внешняя поверхность которого была закрыта керамическим изолятором. Напротив анода-тигля 3 на расстоянии 6 см был установлен держатель образцов 5. С тыльной стороны держателя образцов 5 размещался резистивный нагреватель 6, тепловое излучение которого обеспечивало нагрев образцов до 600оС. Аргон напускался через катодную полость со скоростью 40 см3/мин. Поток кислорода 30 см3/мин подавался в объем через анод-ионизатор 4. Токи в цепи анода-тигля и анода-ионизатора регулировались двумя независимыми источниками питания 7 и 8. Блок питания 9, подключенный к держателю образцов, задавал напряжение смещения в импульсно-периодическом режиме (50 кГц, 10 мкс). Между анодом-тиглем и держателем образцов на стадии разогрева тигля до температуры, при которой достигается требуемая скорость испарения алюминия, устанавливалась заслонка 10.
Способ нанесения покрытия осуществлялся следующим образом. В отдельной камере реактивным магнетронным распылением на образцы наносили подслой оксида хрома, изоструктурный с альфа-оксидом алюминия, толщиной 100-200 нм. Затем образцы устанавливали на держатель 5. В анод-тигель 3 загружали гранулы алюминия класса «ЧДА» (ТУ 6-09-3742-74) массой 0,1 гр. Вакуумную камеру откачивали до давления 10-3 Па. Включали нагреватель 6. За время ~5 мин температура образцов достигала 600 оС. Затем напускали аргон со скоростью 40 см3/мин и включали блок питания 7, который обеспечивал зажигание разряда, разогрев самонакаливаемого катода и его переход в термоэмиссионный режим. Увеличивали ток в цепи анода-тигля до значений (3-3,8 А), при которых обеспечивается плавление алюминия и его испарение с требуемой скоростью. Калибровочная зависимость скорости роста покрытия от тока в цепи анода-тигля была определена в предшествующих экспериментах по результатам измерения толщины покрытия методом абразивного шарового истирания на приборе Calotest. Задавали величину потенциала смещения образцов и тока в цепи анода-ионизатора 4, устанавливали поток кислорода 30 см3/мин. Для формирования покрытий со структурой альфа-оксида алюминия со скоростью 3-5 мкм/ч при температуре образцов 600 оС плотность ионного тока и потенциал смещения устанавливали в диапазоне 3-10 мА/см2 и 25-200 В, соответственно. Открывали заслонку 10 и в течение 30 мин наносили покрытие. После нанесения покрытия образцы охлаждали в вакууме при давлении остаточного газа 10-3 Па в течение 30 мин.
Результаты рентгенофазового анализа свидетельствуют о формировании покрытия со структурой альфа-оксида алюминия с характерными размерами кристаллитов 60-15 нм (Фиг. 2).
Claims (1)
- Способ низкотемпературного нанесения нанокристаллического покрытия из альфа-оксида алюминия на поверхность изделия, включающий нагрев изделия, помещенного в вакуумную камеру, плавление алюминия, его испарение и осаждение покрытия в кислородсодержащей среде на поверхность изделия, отличающийся тем, что предварительно на поверхность изделия наносят изоструктурный подслой из оксида хрома, а нанесение покрытия осуществляют реактивным анодным испарением алюминия в разряде низкого давления, при этом изделие нагревают до температуры 600°С, в камеру напускают аргон, зажигают разряд между самонакаливаемым катодом и анодом-ионизатором, плавно увеличивают ток в цепи самонакаливаемый катод - анод-тигель и осуществляют плавление алюминия в полости анода-тигля и его испарение с заданной скоростью, при этом регулируют токи в цепи самонакаливаемый катод - анод-тигель и цепи самонакаливаемый катод - анод-ионизатор посредством двух независимых источников, затем устанавливают величину потенциала смещения изделия, подают кислород через полый анод-ионизатор и увеличивают ток в его цепи, причем плотность ионного тока и потенциал смещения устанавливают 3-10 мА/см2 и 50-200 В, соответственно, и при температуре поверхности расплава 950-1000°С формируют нанокристаллическую фазу оксида алюминия в покрытии.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018105416A RU2676719C1 (ru) | 2018-02-14 | 2018-02-14 | Способ низкотемпературного нанесения нанокристаллического покрытия из альфа-оксида алюминия |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018105416A RU2676719C1 (ru) | 2018-02-14 | 2018-02-14 | Способ низкотемпературного нанесения нанокристаллического покрытия из альфа-оксида алюминия |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2676719C1 true RU2676719C1 (ru) | 2019-01-10 |
Family
ID=64958562
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018105416A RU2676719C1 (ru) | 2018-02-14 | 2018-02-14 | Способ низкотемпературного нанесения нанокристаллического покрытия из альфа-оксида алюминия |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2676719C1 (ru) |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4652347A (en) * | 1985-01-07 | 1987-03-24 | Masami Kobayashi | Process for electroplating amorphous alloys |
US20010009222A1 (en) * | 1998-01-14 | 2001-07-26 | Kiyotsugu Mizouchi | Sputtering method for forming an aluminum or aluminum alloy fine wiring pattern |
US6565957B2 (en) * | 2000-12-22 | 2003-05-20 | Mitsubishi Materials Corporation | Coated cutting tool |
RU2206432C2 (ru) * | 1997-11-06 | 2003-06-20 | САНДВИК АБ (пабл) | Режущий инструмент и способ его изготовления |
EP1616978A1 (en) * | 2004-07-16 | 2006-01-18 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel, Ltd.) | Multilayer coating excellent in wear and heat resistance |
RU2432634C1 (ru) * | 2010-07-14 | 2011-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью "БАРГАН ТЕХНОЛОДЖИ" (ООО "БТЕХ") | Многослойный нанокомпозит для конденсаторов и способ его изготовления |
RU2516366C2 (ru) * | 2012-09-10 | 2014-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Осетинский государственный университет имени Коста Левановича Хетагурова" (СОГУ) | СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНОЙ ПЛЕНКИ АЛЬФА-Al2O3 (0001) НА МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОДЛОЖКИ |
US20170250077A1 (en) * | 2015-02-02 | 2017-08-31 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Oxide and manufacturing method thereof |
-
2018
- 2018-02-14 RU RU2018105416A patent/RU2676719C1/ru active
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4652347A (en) * | 1985-01-07 | 1987-03-24 | Masami Kobayashi | Process for electroplating amorphous alloys |
RU2206432C2 (ru) * | 1997-11-06 | 2003-06-20 | САНДВИК АБ (пабл) | Режущий инструмент и способ его изготовления |
US20010009222A1 (en) * | 1998-01-14 | 2001-07-26 | Kiyotsugu Mizouchi | Sputtering method for forming an aluminum or aluminum alloy fine wiring pattern |
US6565957B2 (en) * | 2000-12-22 | 2003-05-20 | Mitsubishi Materials Corporation | Coated cutting tool |
EP1616978A1 (en) * | 2004-07-16 | 2006-01-18 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel, Ltd.) | Multilayer coating excellent in wear and heat resistance |
RU2432634C1 (ru) * | 2010-07-14 | 2011-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью "БАРГАН ТЕХНОЛОДЖИ" (ООО "БТЕХ") | Многослойный нанокомпозит для конденсаторов и способ его изготовления |
RU2516366C2 (ru) * | 2012-09-10 | 2014-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Осетинский государственный университет имени Коста Левановича Хетагурова" (СОГУ) | СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНОЙ ПЛЕНКИ АЛЬФА-Al2O3 (0001) НА МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОДЛОЖКИ |
US20170250077A1 (en) * | 2015-02-02 | 2017-08-31 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Oxide and manufacturing method thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5296274A (en) | Method of producing carbon-containing materials by electron beam vacuum evaporation of graphite and subsequent condensation | |
US4619748A (en) | Method and apparatus for the reactive vapor deposition of layers of oxides, nitrides, oxynitrides and carbides on a substrate | |
Gavrilov et al. | Ion assisted deposition of α-Al2O3 coatings by anodic evaporation in the arc discharge | |
JPS6319590B2 (ru) | ||
JPH02285072A (ja) | 加工物表面のコーティング方法及びその加工物 | |
Schneider et al. | Reactive ionized magnetron sputtering of crystalline alumina coatings | |
Ehrich et al. | Adhesive metal films obtained by thermionic vacuum arc (TVA) deposition | |
RU2676719C1 (ru) | Способ низкотемпературного нанесения нанокристаллического покрытия из альфа-оксида алюминия | |
Kavitha et al. | Effect of target power on the physical properties of Ti thin films prepared by DC magnetron sputtering with supported discharge | |
US20030234176A1 (en) | Production of carbon and carbon-based materials | |
Carreri et al. | Highly insulating alumina films by a bipolar reactive MF sputtering process with special arc handling | |
KR102335906B1 (ko) | HiPIMS에 의해 성장 결함이 감소된 TiCN | |
RU2676720C1 (ru) | Способ вакуумного ионно-плазменного низкотемпературного осаждения нанокристаллического покрытия из оксида алюминия | |
Gavrilov et al. | Discharge system with a self-heated hollow cathode and an evaporating anode in a cusp magnetic field for oxide coatings deposition | |
RU2653399C2 (ru) | Способ нанесения покрытия из аморфного оксида алюминия реактивным испарением алюминия в разряде низкого давления | |
JP7084201B2 (ja) | 反応性イオンプレーティング装置および方法 | |
Audronis et al. | Pulsed-bias magnetron sputtering of non-conductive crystalline chromia films at low substrate temperature | |
Haase et al. | Plasma characterization in reactive sputtering processes of Ti in Ar/O 2 mixtures operated in metal, transition and poisoned modes: a comparison between direct current and high-power impulse magnetron discharges | |
JP4351777B2 (ja) | デポジションアシスト蒸着装置及び薄膜形成方法 | |
RU2297471C1 (ru) | Способ получения проводящих нанокомпозитных покрытий, содержащих металл в кремний-углеродной матрице | |
Bakeev et al. | Creating ceramic electrically insulating coating on metal surface | |
JP2857743B2 (ja) | 薄膜形成装置および薄膜形成方法 | |
RU2765563C1 (ru) | Способ вакуумного ионно-плазменного осаждения тонкой пленки твердого электролита | |
Mausbach et al. | Cu and Zn films produced with an anodic vacuum arc | |
Akan et al. | Study of metal and ceramic thermionic vacuum arc discharges |