Влияние режимов ионно-плазменного напыления на структуру и свойства износостойких покрытий

1.3.3 Влияние технологических факторов на структуру и свойства по-
лучаемых покрытий 
Свойства получаемых покрытий зависит не только от их состава, но и от их 
структуры [125]. На данном этапе изучения литературных данным рассмотрим 
сведения влияния различных факторов нанесения покрытий на материал под-
ложки на свойства и структуру покрытий. 
Авторы [126] оценили время пролета распыленных атомов от мишени до 
подложки. Это время зависит от исходных энергий распыленных атомов. Для 
атомов алюминия это соответствует диапазону скоростей 3-6000 м/с.
Из-за более высокой энергии связи с поверхностью атомов вольфрама их рас-
пределение сдвинуто к более высоким энергиям. Из-за различных скоростей 
распыленных атомов и столкновения их с молекулами газа время пролета до 
подложки имеет существенную дисперсию. Авторы сделали вывод, что им-
пульсное СЧ распыление по состоянию поверхности распыляемой мишени и 
поступлению распыленных атомов на подложку практически неотличимо от 
распыления на постоянном токе. 
Экспериментально установлено, что при импульсном распылении с увели-
чением частоты импульсов скорость распыления снижается [127]. Так в дуаль-
ных магнетронах увеличение частота импульсов со 100 до 350 кГц, уменьшило 
скорость нанесения в пять раз. 

---

38 
При частоте 350 кГц возрастает шероховатость поверхности. Сопротивле-
ние износу покрытия выше при импульсном токе при частоте 50-250 кГц, чем 
при постоянном токе, но резко снижается при увеличении частоты тока. Авто-
ры объясняют это явление увеличением включения аргона в покрытия при вы-
соких частотах [128]. 
В подавляющем большинстве случаев реактивного разряда основным га-
зом в рабочей камере является рабочий нереактивный газ (аргон). Присутствуя 
в объеме разряда в виде нейтральных атомов, он может оказывать три воздей-
ствия на процесс нанесения покрытия: 
- поступать к поверхности покрытия и включаться в растущую пленку, об-
разуя ее загрязнение; 
- нарушать угловое и пространственное распределение распыленного мате-
риала за счет соударений с частицами распыленного вещества: 
- одновременно за счет неупругих соударения уменьшать энергию распы-
ленных частиц [125].
Наличие коротких выбросов напряжения в начале положительного им-
пульса увеличивало величину потока и энергии ионов. Увеличение рабочего 
давления и потока азота в камере приводило к уменьшению диапазона энергий 
ионов в плазме. Когда расстояние от подложки до магнетрона было увеличено с 
127 до 203 мм, поток ионов значительно возрос. Таким образом, авторы [129] 
показали, что все параметры плазмы должны строго контролироваться, чтобы 
получить высокую воспроизводимость состава, свойств и структуры покрытий. 
Распыление мишеней в магнетронных источниках происходит под дей-
ствием интенсивной ионной бомбардировки. Коэффициент полезного действия 
ионного распыления невелик, поэтому в тепло превращается до 95 % мощности 
разряда. В результате на поверхности мишени выделяются достаточно большие 
мощности, которые могли бы вызвать существенный разогрев мишени и изме-
нение ее свойств. Поэтому, чтобы это не произошло, в подавляющем большин-
стве существующих магнетронов мишени охлаждаются проточной водой

---

39 
непосредственно или косвенно. Поэтому считается, что во время процесса рас-
пыления, благодаря охлаждению, объемные свойства материала мишени не ме-
няются. При высоких температурах потеря веса мишени была в несколько раз 
выше, чем можно было ожидать при заданном токе разряда. Зависимость поте-
ри веса мишени от ее температуры описывается экспонентой с энергией акти-
вации, равной энергии испарения мишени. 
Эффекты от применения «горячих» мишеней [125]: 
- при распылении в аргоне достаточно горячих мишеней происходит уве-
личения коэффициента распыления материала горячей мишени ионами аргона, 
что сказывается в увеличении скорости нанесения покрытия; 
- при распылении в аргоне у достаточно горячих мишеней меняется коэф-
фициент вторичной электронной эмиссии. Направление его изменения зависит 
от материала мишени. Эти изменения сказываются на полном электрическом 
сопротивлении нереактивного разряда: 
- в реактивном разряде добавление к аргону реактивного газа влияет на 
ВАХ разряда слабее при горячей мишени. Это связано с уменьшением степени 
покрытия поверхности горячей мишени слоем химического соединения по 
сравнению с холодной мишенью. Этим объясняется увеличение скорости нане-
сения стехиометрических покрытий при реактивном распылении из горячих 
мишеней для всех исследованных материалов; 
- повышенная энергия частиц, поступающих в пленку из горячих мишеней, 
обеспечивает упорядочение структуры получаемых покрытий химического со-
единения; 
- указанные эффекты связаны с изменением свойств поверхности материа-
ла мишени, но физические объяснения различны у разных исследователей и для 
различных материалов [125]. 
Есть данные о применении сдвоенных магнетронов, электрически изоли-
рованные друг от друга и установленные рядом в одной вакуумной распыли-
тельной камере. Питаются они от одного или от двух независимых источников 

---

40 
питания постоянного тока. Эти магнетроны могут иметь одинаковые мишени 
или мишени из различных металлов [125]. Метод реактивного магнетронного 
распыления позволяет получить покрытия более сложных химических соеди-
нений, состоящих из атомов трех и более элементов: 
- атомов материалов двух и более различных мишеней и атомов одного ре-
активного газа; 
- атомов материала одной мишени и атомов двух различных реактивных 
газов. 
Количество элементов в покрытии может быть больше, если мишени вы-
полнены из сплава нескольких элементов. 
Одновременное распыление мишеней из различных материалов называет-
ся сораспылением, и одновременное распыление различных мишеней в среде, 
содержащей реактивный газ, называется реактивным сораспылением [130]. 
Цель такого процесса – контролируемое нанесение химического соединения 
реактивного газа и нескольких материалов.
Сложность процесса реактивного сораспыления по сравнению с реактив-
ным из одного магнетрона заключается во взаимном влиянии режима работы 
одного магнетрона на режим другого. Это влияние осуществляется через изме-
нение величины парциального давления реактивного газа в камере. В 1982 году 
в работе [131] было показано, что при одновременной работе магнетронов с 
алюминиевой и титановой мишенями в смеси аргона и кислорода в камере уве-
личение мощности одного из них снижает парциальное давление кислорода в 
камере, что, в свою очередь, значительно меняет режим другого магнетрона.
Процесс образования покрытия можно схематично разделить на три ста-
дии. Первая стадия – движение частиц к поверхности растущей покрытия. Вто-
рая стадия – адсорбция этих частиц на поверхности подложки или растущей 
покрытия и их диффузия по эти поверхностям. И, наконец, третья стадия – их 
объединение в пленку или их удаление с подложки испарением или распылени-
ем [125]. При магнетронном распылении первая стадия контролируется такими 

---

41 
параметрами, как геометрия аппаратуры и давление рабочего газа. Стадия по-
верхностной диффузии в основном контролируется температурой подложки, но 
на нее также значительно влияет бомбардировка растущей покрытия энергети-
ческими частицами. Конечная структура покрытий и их морфология определя-
ется процессами поверхностной диффузии, зародышеобразования, роста кри-
сталлов, их коалесценции и рекристаллизация в время роста покрытия [132]
Равномерность эрозии мишени и толщины наносимого покрытия зависит 
от нескольких основных факторов: 
- неоднородности магнитного поля вдоль магнетрона; 
- расположения анодов относительно магнетронов; 
- состояния анодов; 
- устройства подачи реактивных газов к магнетрону [125]. Существует две 
цели достижения равномерности в процессе распыления: получение равномер-
ного износа мишени и получение равномерной толщины покрытия. На практи-
ке встречается неравномерность толщины нанесенного покрытия. Важная зада-
ча – определить причину неравномерности, чтобы устранить ее, не теряя по 
возможности производительности процесса и не ухудшая качества покрытий.