INSTYTUT MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH I BIOMEDYCZNYCH

Wydział Mechaniczny Technologiczny

POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH

Procesy PVD i CVD nanoszenia warstw powierzchniowych

Sprawozdanie: Metoda PVD

Prowadzący: Dr hab. inż. Krzysztof Lukaszkowicz

Imię nazwisko: Budziszewska Magdalena, Lasok Sandra, Melska Martyna, Bakun Patrycja, Grolik Izabela, Kuźniak Malwina, Soja Mateusz, Skorupa Artur

Kierunek: Inżynieria Materiałowa

Grupa dziekańska: IM4

Rok akademicki: 2014/2015

GLIWICE 2015

1. Część teoretyczna

Osadzania z fazy gazowej używa się do tworzenia cienkich filmów, układów wielowarstwowych, nanorurek, nanoprętów lub cząstek o wielkości mikro- i nanometrycznej. Techniki stosowane w tym celu można podzielić na dwie grupy: osadzanie fizyczne (w języku angielskim – physical vapour deposition - PVD) i osadzanie chemiczne (w języku angielskim - chemical vapour deposition - CVD).

Metoda PVD wykorzystuje zjawiska fizyczne, takie jak odparowanie metali lub stopów lub rozpylenie katodowe w próżni i jonizację gazów i par metali z wykorzystaniem różnych procesów fizycznych. Nanoszenie powłok przeprowadzone jest na podłożu zimnych lub nagrzanym do 200-500°C, co umożliwia pokrywanie podłoży zahartowanych i odpuszczonych, bez obawy o spadek ich twardości. Jednocześnie prowadzi do wytworzenia powłok o bardzo cienkich i słabo związanych z podłożem. Połączenie powłoka – podłoże ma charakter adhezyjny i jest tym silniejsze, im bardziej jest czysta powierzchnia pokrywana [2]. Powłoki nanoszone metodami PVD można podzielić na dwie grupy:

• Proste jednowarstwowe (monowarstwowe) – składające się z jednego materiału powłokowego – metalu Al., Cr, Mo, Cu lub faz TiN,

• Złożone – składające się z wielu materiałów (metalu, fazy lub związku) [1].

W większości przypadków powstawanie powłok w procesie PVD odbywa się w trzech etapach [2]:

• Uzyskiwanie par nanoszonego materiału,

• Transport par (neutralnych lub zjonizowanych) na materiał podłoża,

• Kondensacja par nanoszonego materiału na podłożu i wzrost powłoki.

Proces przygotowania powierzchni składa się z dwóch głównych etapów i prowadzony jest w celu czyszczenia i aktywacji powierzchni podłoża przed naniesieniem powłoki [2]:

• Chemiczne przygotowanie – oczyszczenie zgrubne – usuwa się tłuszczem smary konserwacyjne i inne zanieczyszczenia mechaniczne, także cienkie warstwy powierzchniowe (tlenki, siarczki),

• Jonowe przygotowanie – operacja bezpośrednia poprzedzająca proces nanoszenia powłok. Dokładnie oczyszcza powierzchnie, aktywuje ją i podgrzewa element do żądanej temperatury – proces realizowany przez trawienie jonowe.

1 – element grzejny, 2 – przedmiot pokrywany, 3 – stopiony metal, 4 – wlot gazu, 5 – wyjście pompy, 6 – tarcza/tygiel, 7 – wiązka elektronów, 8 – działo elektronowe, 9 – elektroda zewnętrzna, 10 – jonizator, 11- dodatkowy strumień elektronów, 12 – katoda wnękowa, 13 – łuk elektryczny, 14 – elektromagnesy, 15 – magnetron, 16 – elektroda erodująca

Rys.1. Schematy metod PVD: a) aktywowane reaktywne naparowanie, b)aktywowane reaktywne naparowanie z ujemną polaryzacją podłoża, c) reaktywne nanoszenie ze zjonizowanych klastrów, d) aktywowane odparowanie reaktywne łukiem termojonowym, e)Katowe odparowanie łukowe, f) reaktywne napylanie jonowe [2]

2. Części praktyczna – laboratorium

Moje notatki z laboratorium, trzeba je jakoś powiązać z innymi :D

Zapowietrzyć komorę, aby podnieść ją do góry: otworzyć komorę, włożyć próbkę i napompować próbkę. Plazmy używa się do czyszczenia (próbki?). Azot jest gazem roboczym, Acetylen – jeżeli chcemy powłokę węglową.

Ciało jonowe – obejma, spirala – jak się całość nagrzeje to włączamy.

BAS – różnica potencjałów. Ściąga odparowane elektrony w kierunku tarczy. Im większe napięcie – nie oznacza to, że dobrze.

Czas nanoszenia: 2min

Gaz: odpowiedni przepływ

Można robić powłoki gradientowe, gaz wzrasta do 20-50 cm3/min i robi się powłoka gradientowa. Czas do otwarcia pieca – około 100°C.

Parametry:

15s czas stabilizacji

10 min czas grzania

Gazy: 40% Ar

120 natężenie prądu

2etap- czyszczenie jonowe

130 amperów, Dias/Bias? 200V, 400C i Argon

Czas nakładania powłoki 18 min?

Rys. XX Maszyna PVD w laboratorium Politechniki Śląskiej – nr zdjęcia wpisać, jak już bd wszystkie

3. Podsumowanie

Dzięki możliwości wytwarzania powłok o bardzo szeroki spektrum własności (powłoki niskotarciowe, supertwarde, odporne na korozję i zużycie) , elementy pokrywane metodami PVD znajdują szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Technologie PVD są bardzo wszechstronne, umożliwiają osadzenie wielu rodzajów materiałów zarówno nieorganicznych (metale, stopy, dielektryki) jak i niektórych organicznych.

4. Literatura

1. K. Reszka, P. Śmiegielski, Materiały pomocnicze do ćwiczeń laboratoryjnych, Politechnika Koszalińska, Koszalin 2004,

2. L.A. Dobrzański, T.Tański, A.D.Dobrzańska-Danikwiecz, M. Król, Sz.Malara, J.Domagała-DubielOpen Access Library, Struktura i własności stopów Mg-Al.-Zn, rozdział nr 5, str. 115.

3.

4.

5.