CC BY
325
Магнетронное напыление низкоэмиссионных покрытий
В.П. Яновский, О.С. Кузьмин, В.П. Сергеев,
Л.Г. Косицын, А.Н. Падусенко
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
В работе приведены результаты исследования низкоэмиссионных покрытий, полученных методом магнетронного напыления с ионным ассистированием на вакуумной установке, разработанной для обработки листового архитектурного стекла размером 2.6 х 1.605 м, и описание оригинальных устройств технологической установки.
Magnetron sputtering of low-emission coatings
V.P. Yanovskii, O.S. Kuzmin, V.P. Sergeev,
L.G. Kositsyn, and A.N. Padusenko Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634021, Russia
The paper contains investigation results for low-emission coatings deposited by ion-assisted magnetron sputtering in a vacuum chamber, which has been developed to treat sheet architectural glass measured 2.6 х 1.605 m. Original designs of the processing chamber are described.
1. Введение
Развитие техники и разработка технологий нанесения низкоэмиссионных покрытий связано в последние годы с широким внедрением в строительстве теплосберегающих технологий, отвечающих, прежде всего, требованиям нормативных документов [1, 2]. В этом направлении опубликовано много работ. Однако необходимость изучения покрытий, полученных с помощью новых напылительных устройств, остается. В работе приводятся результаты исследования пятислойных низкоэмиссионных покрытий на архитектурном стекле, полученых магнетронным напылением с ассистированием ионным пучком энергии 3кэВ с помощью разработанной авторами ионно-магнетронной распылительной системы, управляемой в автоматическом режиме.
2. Описание экспериментальной установки
В основе установки положена конструктивная модель вакуумной камеры, позволяющая реализовать технологию магнетронного напыления покрытий на листовые материалы размером до 2600 х 1605 мм. Установка является продолжением развития модельного ряда ваку-
умных установок для нанесения теплосберегающих покрытий на архитектурные стекла [3]. Общий вид установки показан на рис. 1. Габаритные размеры установки: длина — 6.9 м, высота — 2.92 м и ширина — 2.55 м. Она состоит из трех частей: рабочая, шлюзовая камера и карман, каждая из которых имеет свое функциональное назначение. Рабочая камера является камерой напыления покрытий. В ней сосредоточены элементы ионно-магне-тронной распылительной системы, а именно: протяженные магнетроны планарного типа, рамочного типа, источники газовых ионов, экраны и система дозированной подачи рабочего газа. Система напыления позволяет напылять металлические и оксидные покрытия на два изделия одновременно за счет того, что катоды магнетронов расположены противоположно друг к другу, в то время как изделия находятся между магнетронами, перемещаясь возвратно-поступательно в процессе обработки.
Рабочая камера своими торцевыми частями соединена со шлюзовой камерой и карманом. Между рабочей и шлюзовой камерами находится щелевой затвор, позволяющий осуществлять загрузку и выгрузку изделий в установку без изменения вакуумных условий в рабочей камере.
© Яновский B.R, Кузьмин О.С., Сергеев B.R, Косицын Л.Г., Падусенко A.H., 2006
Шлюзовая камера предназначена для загрузки и выгрузки изделий из установки, а также является рабочим транспортным объемом для кассеты с листовыми изделиями в процессе напыления покрытий. Камера имеет загрузочную дверь, снабженную шарнирами и запорами.
Камера «карман» является частью объема рабочей камеры и служит для размещения изделия при выводе его из зоны напыления. Внутри кармана и шлюзовой камеры имеются направляющие для перемещения кассеты. Движение кассеты осуществляется через вакуумные вводы реверсивным механизмом перемещения, состоящим из электропривода и цепной передачи. Информация о месте положения и скорости движения кассеты получается с датчиков, установленных на боковых сторонах кармана и шлюзовой камеры.
Рабочее давление в установке создается откачной системой, состоящей из двух высоковакуумных агрегатов АВДМ-400, снабженных форвакуумными линиями и насосами НВР-16Д. Предварительное разрежение в установке создается автономной форвакуумной линией, откачиваемой форвакуумным насосом АВЗ-6ЭД. Форвакуумная линия позволяет проводить предварительную откачку шлюзовой и рабочей камер раздельно.
Для электрического питания ионно-магнетронной распылительной системы в установке применены универсальные источники на платформах 8 и 20 кВт. Источники в своей конструкции объединяют два преобразователя. Первый — двадцатикилогерцовый инвертор преобразует сетевое напряжение в необходимый DC-сигнал: 3 кВ — для ионных источников и 850 В для питания магнетронов. В конструкции инвертора применена многослойная коммутационная шина, которая минимизирует индукционные выбросы и позволяет наиболее полно использовать возможности ЮВТ-ключей. Второй преобразователь собран на базе мощных полевых транзисторов и формирует необходимую форму выходного
сигнала. Управление работой ключей осуществляется контроллером, технологическая программа которого обеспечивает возможность работы магнетронов как в DC-режиме, так и в асимметричном биполярном или дуомагнетронном. Источники питания имеют защиту от короткого замыкания, пробоя, дуги, обеспечивают стабилизацию тока или мощности разряда.
Управление установкой осуществляется в автоматическом режиме, а также в дискретном (режим технологической настройки - управление с клавиатуры компьютера). На мониторе управляющего компьютера отображаются все контролируемые параметры управляемых устройств установки.
3. Условия эксперимента
Напыление металлических покрытий осуществлялось двумя магнетронами рамочного типа [3]. Распыляемый металл (в данном случае — серебро) и сплав нихром напаивались на внутреннюю сторону рамки магнетронов, являющейся каркасом для магнитной системы. Магнитное поле создавалось постоянными магнитами на основе сплава $т2Со17. Величина индукции магнитного поля составляла 0.093 Тл и имела равномерное распределение по рабочим сторонам катода (рис. 2).
Напыление оксидных покрытий осуществлялось магнетронами планарного типа с катодами из титана. В установке используются четыре планарных магнетрона, по два магнетрона с каждой напыляемой поверхности изделия. Распыление катодов магнетронов проводилось в асимметричном биполярном режиме электрического питания. Преимущества такого питания сводятся к устранению микродуг и устойчивому горению разряда в условиях окислительной рабочей среды [4]. В эксперименте использовались планарные магнетроны с широкой зоной эрозии поверхности катода, полученной введением в зазор магнитных полюсов дополнительных магнитопроводящих вставок. В результате этого распределение магнитного потока становится близким распределению Пирса. Измеренное распределение поля показано на рис. 3. Жирные линии соответствуют положению пластин относительно поля.
Магнетронное нанесение металлических и оксидных слоев покрытий проводилось с ассистированием
Рис. 1. Общий вид установки
Рис. 2. Распределение магнитного поля на поверхности катода рамочного магнетрона
Таблица 1
Таблица 2
Условия нанесения покрытий
Механические свойства покрытий
Параметр Величина
Давление в рабочей камере 5 • 10-4 торр
Рабочий газ СО2+ Аг (25 + ост.)%
Ионная очистка и ассистирование напыления 2.5 кВ, 0.4 А
Мощность напыления металлических покрытий 10 Вт/см2
Мощность напыления оксидных покрытий 12 Вт/см2
Скорость перемещения кассеты 5 см/с
Скорость напыления металлических покрытий за проход кассеты 5.. .10 нм/проход
Скорость напыления оксидных покрытий за проход кассеты 4 нм/проход
Толщина металлических покрытий 8 нм
Толщина защитных оксидных покрытий 10 нм
Оптическая толщина просветляющих покрытий 100 нм
пучками ионов рабочей газовой среды с энергией 3 кэВ. Эту задачу выполняли два ленточных источника ионов на основе плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов [5]. Угол падения ионов на поверхность образцов составлял 60°.
В качестве подложки для покрытий использовалось архитектурное стекло толщиной 4 мм и размерами 2300x1605 мм марки М1 Борского стекольного завода. Напыление проводилсь в условиях контролируемой рабочей среды. Управление составом и режимами ее подачи осуществлялось автоматизированной двухканальной системой газонапуска на основе регуляторов расхода газа РРГ-9.
Экспериментальные условия нанесения покрытий приведены в табл. 1. Исследовались пленки Т02 - нихром - Ag - нихром - Т02. За единицу отсчета толщины покрытия взято количество проходов кассеты при напылении отражающего и защитных слоев.
Изучались следующие параметры покрытий: коэффициенты пропускания видимого спектра и отражения инфракрасного излучения, измеренные спектрофотомет-
К, Кр а, т, Дг,
Обработка R, отн.ед. отн.ед. МПа мин ч
Без ассистир. 0.92 0.9 2.6 4.1 18
Ионы, 3кэВ 0.92 0.9 9.8 19.8 125
рами SPEKORD М40 и ИКС-29 с приставкой ИПО-76, прочность сцепления покрытий — штифтовым методом с записью кривой отрыва на машине растяжения ИМАШ-20-75, износостойкость — на машине трения и износа путем истирания резинового наконечника при нагрузке 200 г, химическая стойкость покрытия — по ГОСТ 24970-88 выдержкой в тумане 5%-го раствора серной кислоты при температуре 60 °С. Измерения проводились для образцов покрытий, полученных без и с ассистированием высокоэнергетичным ионным пучком магнетронного напыления металлического отражающего и оксидных слоев.
4. Результаты эксперимента и обсуждение
Эксперименты показали, что ассистирование ионным пучком изменяет механические свойства получаемых на установке покрытий при постоянных оптических свойствах в пределах погрешности измерений (табл. 2). При постоянных режимах работы магнетронов и ионных источников при напылении величина адгезии а покрытий к подложке, износостойкость т и химическая стойкость At возрастают в результате высокоэнергетического ионного воздействия.
В табл. 2 приведены усредненные результаты серии измерений. При обоих видах обработки перед напылением покрытий ионный пучок использовался для очистки поверхности образцов, энергия пучка устанавливалась не более 500 эВ. Толщина защитных слоев контролировалась с помощью монохроматора МУМ-01 и выдерживалась величина, необходимая для получения равных коэффициентов Кт сравниваемых покрытий. Для измерения толщины покрытия отражающего слоя был
Рис. 3. Распределение магнитного поля на поверхности катода планарного магнетрона
Рис. 4. Зависимость коэффициента отражения инфракрасного излучения покрытий ТЮ2 - нихром - А§ - нихром - ТЮ2от поверхностного сопротивления
О 5 10 20
Длина волны, мкм
Рис. 5. Спектр инфракрасного излучения покрытий ТЮ- нихром -А§ - нихром -ТЮ2 после трех (1) и пяти (2) проходов кассеты
применен зондовый метод измерения электросопротивления. Зонд имел площадь контакта 0.5 мм2 и расстояние между точками измерения 1 см. Правильность выбора данной методики была оценена экспериментально. Было установлено, что коэффициент отражения инфракрасного излучения Кк покрытий связан с величиной электросопротивления R зависимостью, показанной на рис. 4. Зависимость получена по результатам обработки спектров отражения инфракрасного излучения покрытий Т02 - нихром - Ag - нихром - Т02 (рис. 5). Кривые 1 и 2 соответствуют трем и пяти проходам кассеты при напылении отражающего слоя (табл. 3). В исследованных покрытиях нихромовые слои имели толщину порядка 5 нм. Они выполняют роль защитного слоя, предотвращающего окисление серебряного слоя.
Зависимость, приведенная на рис. 4, позволяет считать, что при известной скорости напыления можно прогнозировать оптические свойства получаемого покрытия, используя в качестве характеристической величины поверхностное сопротивление покрытия.
Таким образом, применение высокоэнергетического ионного пучка в технологии магнетронного напыления многослойных покрытий приводит к улучшению их химических и трибологических свойств. Этот эффект связан с радиационно-стимулированной диффузией и ионным перемешиванием атомов в пограничных областях и в объеме пленок и сопутствующими процессами структурно-фазовых превращений, известных в технологии упрочнения материалов [6]. Аналогичные результаты нами были получены ранее для покрытий на основе оксидов индия и олова [7] и оксида титана с медным
Таблица 3
Зависимость электросопротивления от числа проходов кассеты при напылении отражающего слоя покрытий
Число проходов 1 2 3 4 5
R, Ом 8 15 30 50 150
отражающим слоем [8]. При близких величинах адгезии и химической стойкости покрытий по отношению к покрытиям [7] и [8], низкоэмиссионные покрытия на основе серебра, полученные в условиях ассистирования ионным пучком, имеют более высокий коэффициент отражения инфракрасного излучения.
Работа выполнена в рамках тематики комплексного проекта «Разработка научных основ формирования неравновесных состояний с многоуровневой структурой методами ионно-плазменных и импульсных электронно-лучевых технологий в поверхностных слоях материалов и получения покрытий с высокими прочностными и функциональными свойствами. Разработка и создание методик, устройств и оборудования», проект 8.2.1, программа 8.2 фундаментальных исследований СО РАН.
Литература
1. Постановление Министерства строительства РФ от 19.04.96, № 18-25.
2. СНиП II—3—79*. Строительная теплотехника.
3. Kuzmin O.S., Kositsin L.G., Likhachev V.N., Padysenko A.N., Pokusha-
lov A. V Heat-Refltcting Coating Technology Based on Magnetron Sputtering Method // 7th Int. Conf. on Modification onf Materials with Particile Beams and Plasma Flows, Tomsk, Russia, 25-29 July 2004. -P. 413-416.
4. Патент № 2280097 / О.С. Кузьмин, Л.Г. Косицын, В.Н. Лихачев Магнетронное распылительное устройство // Бюл. № 20. - 2006.
5. Патент RU 2 261 497 C1, 05.05.2004г. / В.П. Сергеев, В.П. Яновский, Ю.Н. Параев Протяженный источник ионов // Бюл. № 27. -2005.
6. Диденко А.Н., Шаркеев Ю.П., Козлов Э.В., Рябчиков А.И. Эффекты
дальнодействия в ионно-имплантированных металлических материалах. - Томск: Изд-во НТЛ, 2004. - 328 с.
7. Сергеев В.П. Новые конструкционные материалы // Материалы научно-практической конф. материаловедческих обществ России. - М.: МИФИ, 2000. - C. 101-103.
8. Сергеев В.П., Яновский В.П., Чернов Д.В. Совмещенное с поверхностной ионнолучевой обработкой вакуумно-плазменное напыление теплоотражающих покрытий // Тез. докл. VI Межд. конф. «Актуальные проблемы материаловедения». - Новокузнецк: СГИИ, 1999. - C. 185.
