Третьяков_Курс лекций по дисциплине Технология конструкционных материалов (Третьяков Курс лекций по дисциплине Технология конструкционных материалов), страница 8

4.1). Ионное распыление выполняют при более низких температурах по сравнению с термическим. Оно сохраняет химический состав сложных соединений исплавов, обеспечивает ионную очистку поверхности подложки,повышает адгезию пленок и их однородность.37Рис. 4.1. Обобщающая схема процесса физического осаждения покрытий:1 – базовая плита; 2 – камера; 3 – распыляемый материал; 4 – подведение энергиидля распыления материала; 5 – поток напыляемых частиц; 6 – заслонка;7 – покрытие; 8 – напыляемое изделиеДругим способом испарения является химическое, при котором химически активный газ адсорбируется на поверхности исходного материала и реагирует с ним.

Летучий продукт этой реакции десорбируется и его можно перенести в другие части системы,где он подвергается дополнительной очистке или вступает в реакцию, образуя осадок.При химическом осаждении осадок может образовываться ввиде порошка (химическая реакция его образования протекаеттолько в газовой фазе) или в виде пленочного покрытия (рекцияпроходит как в газовой фазе, так и на поверхности подложки). Дляполучения функциональных слоев микросхем пригодна тольковторая группа процессов химического осаждения.После того как исходный материал переведен в парообразноеили газообразное состояние, его требуется транспортировать в томесто, где нужно получить осадок. При физическом осаждениисопротивление переносу незначительно, поскольку процесс осу38ществляется в высоком вакууме.

При химическом осаждении взамкнутых камерах скорость переноса источника осаждаемого материала до покрываемой поверхности зависит от температуры газаи скорости диффузии газообразных реагентов.Преимуществом физического осаждения является то, что заготовка находится при температуре окружающей среды. Для получения осадка в нужном месте температура изделия должна бытьниже температуры испаряемого вещества.При химическом осаждении поверхность должна быть нагретадо более высокой температуры, чем газообразные соединения.

Врезультате этого возможно термическое разложение летучего соединения и осаждение материала на поверхность заготовки. Схемапроцесса представлена на рис. 4.2.Рис. 4.2. Схема процесса химического осаждения из газовой фазыИсходный материал, который условно может быть представленв виде произвольно ориентированных кристаллитов (белые кубики) и примесей (черные кубики), можно испарить селективно.

Химически активный газ, например йод (белые шарики), вступает вхимическое взаимодействие, образуя летучее теплочувствительноесоединение. При соприкосновении этого газа с поверхностью, нагретой до более высокой температуры, чем испаряемый материал(Т2 > Т1), происходит разложение этого химического соединения иосаждение чистого материала.

Освобождающийся газ возвращается к исходному материалу.Получаемые покрытия формируются из отдельных атомов.Следовательно, этим методом можно получать изделия, плотность39которых будет близка к теоретической. Однако причиной разрушения многих покрытий является неблагоприятное взаимное расположение кристаллитов, растущих из изолированных центровзародышеобразования.Заготовки и покрытия, получаемые химическим осаждением,обычно состоят из столбчатых кристаллитов, растущих от подложкик внешней поверхности.

Отдельные кристаллиты могут быть весьмапрочными, однако они плохо связаны друг с другом. При поперечной нагрузке такие осадки разрушаются при напряжениях существенно ниже предела прочности материала покрытия.4.2. Основные области применения процессов осажденияиз парогазовой фазыСреди методов физического осаждения большое значение приобретает алюминирование пластмассовых и стальных изделий путем вакуумно-конденсационного напыления термически испаряемого алюминия. Этот технологический процесс широко используется в оптической технике для получения тонких пленок металлических и неметаллических материалов, способных изменять прохождение световых волн.При химическом осаждении разложение карбонильных, галоидных и других соединений проводят при низком давлении, врезультате чего получают осадок высокой степени чистоты иравномерности.

Суммарные реакции применительно к галогенидам (МеГл) и карбонилам [Ме(СО)n)] можно записать в следующем виде:МеГл + Н2 → Ме + Н2Гл,Ме(СО)n → Ме + nСОПотребность авиационной техники в изделиях и покрытиях изтугоплавких материалов способствует расширению химическогоосаждения. Ниобий, молибден, титан и вольфрам, которые нельзяосадить электролитическим методом из водных растворов, легкоосаждаются при водородном восстановлении соответствующихгазообразных галогенидов. Например, вольфрамовые вкладыши вракетных соплах получают водородным восстановлением WF6,ниобиевую фольгу – восстановлением NbCl5.

Формообразованиеволокон бора диаметром 75…200 мкм, применяемых в B-Al40композитах, осуществляют путем восстановления треххлористого бора водородом. В результате химического осаждения бора навольфрамовую нить диаметром 10…12 мкм образуются волокна,прочность которых во многом зависит от наличия локальных дефектов в виде крупных кристаллов, инородных включений, трещин, пустот и др.

Производительность промышленного процессаполучения волокон с заданными свойствами с увеличением температуры процесса от 980 до 1200 ºС возрастает. Повышениетемпературы до 1300 ºС приводит к образованию крупных кристаллов, что заметно снижает их прочность. Для повышения термостойкости волокон на их поверхность химическим осаждениемнаносят слой карбидов кремния или бора толщиной 2...6 мкм.После того как был открыт легко разлагающийся летучий карбонил никеля, возникла новая отрасль металлургии – газофазнаяметаллургия. В настоящее время эта отрасль включает наряду скарбонильным методом и галогенидные процессы.Химическое осаждение из газовой фазы не только позволяетполучать изделия сложной конфигурации, оно может стать эффективным способом соединения заготовок из тугоплавких металловпутем осаждения нужного материала в зазоре между соединяемыми элементами.

Отсутствие в изделии шва и околошовной зоны скрупнозернистой структурой является основным преимуществомэтого технологического процесса по сравнению со сваркой плавлением при прочих равных условиях.Так, для соединения листовых элементов толщиной 0,15…0,5 ммиспользуют метод химического осаждения W путем восстановлениягазообразного соединения WF6 водородом. При этом температурасвариваемых кромок составляет 550…750 ºС, а длительность процесса 10…20 мин. Прочность полученных таким образом соединений составляет 66…96 % от прочности основного материала.

Толщина осаждаемого покрытия в зоне соединения превышает толщину свариваемых кромок в 5 раз.Известно применение никеля, образующегося при разложениикарбонила никеля [Ni(CO)4], для формирования нахлесточного соединения стальных и керамических элементов конструкции.Методы физического и химического осаждения имеют своипреимущества и недостатки. Анализ литературных данных показывает, что физическое осаждение с успехом применяется для получения тонких пленок толщиной 3…5 мкм. В том случае, когдатребуются более массивные осадки, экономичнее использоватьхимическое осаждение, поскольку максимальная скорость образо41вания сплошных пленок составляет 1525 мкм/ч, а при физическомосаждении – 255 мкм/ч.В процессе химического осаждения достигается наибольшеерассеивание материала, поэтому можно получать равномерныепокрытия (осадки) на изделиях сложной формы.

Однако в этомслучае подложка должна быть нагрета до температуры от 150 до2000 ºС в зависимости от свойств осаждаемого материала.Основной областью применения технологических процессовосаждения из парогазовой фазы являются декоративные покрытияи пленки для электроники и оптики. При физическом методе осаждения покрытия могут быть получены из всех твердых химических элементов, большинства галоидных солей и других соединений, испаряющихся без разложения. Химическое осаждение можетбыть применено для получения заготовок и нанесения покрытийиз всех металлов, за исключением щелочных и щелочноземельных, а также из углерода, кремния, карбидов, нитридов, силицидов, боридов, оксидов и сульфидов.Например, химическое осаждение используют для полученияпленок, которые применяют в качестве функциональных слоевкремниевых микросхем (двуокиси кремния, нитрида кремния, силицида вольфрама и др.).4.3. Химикотермическая обработка заготовокДля упрочнения деталей машин широко применяют поверхностное легирование, которое может осуществляться в газовой среде.Химикотермическая обработка (ХТО) сводится к диффузионномунасыщению поверхностного слоя заготовки неметаллами (C, N2,Si, B и др.) или металлами (Cr, Al, Zn и др.) в процессе выдержкипри определенной температуре в активной газовой среде.При ХТО одновременно протекают несколько процессов:− образование в окружающе й среде диффундирующего элемента в атомарном или ионизированном состоянии;− адсорбция атомов (ионов) на поверхности изделия с образованием химических связей между ионами насыщающего элементаи основного металла (химосорбция);− диффузия адсорбированны х атомов в глубь обрабатываемойзаготовки.Толщина диффузионного слоя зависит от температуры насыщения, продолжительности процесса, характера образующегосятвердого раствора (внедрения или замещения), атомно-кристалли42ческого строения материала заготовки и концентрации диффундирующего элемента на поверхности.

С повышением температуры,длительности процесса насыщения и концентрации диффундирующего элемента возрастает толщина легированного слоя.Скорость диффузии атомов насыщающего элемента, образующего с металлом заготовки твердые растворы внедрения, значительно выше, чем при образовании твердого раствора замещения.Диффузия элементов протекает интенсивнее в решетке α-железа,чем в более плотно упакованной решетке γ-железа.К ХТО в газовой фазе относят процессы цементации, нитроцементации, азотирования и диффузионного насыщения металлами (Al, Cr, Zn и др.) или смесями компонентов (Al и Si, Cr иSi, B и Al и др.).Вопросы для самоконтроля1.