СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛМАЗОПОДОБНОЙ ПЛЕНКИ Российский патент 2005 года по МПК C23C14/06 C23C14/22 

Область техники.

Изобретение относится к получению сверхтвердых покрытий в вакууме, а более конкретно к способам формирования углеродного алмазоподобного покрытия в вакууме. Изобретение может быть использовано в электронной и эмиссионной технике, а также в качестве покрытий оптических деталей и в качестве декоративных покрытий.

Уровень техники.

Алмазоподобные пленки (АПП), содержащие включения алмазной фазы, находят в настоящее время практическое применение благодаря своим механическим свойствам и оптическим характеристикам: твердости, износостойкости, низкому коэффициенту трения по отношению к большинству конструкционных материалов, высокой теплопроводности, малому поглощению в видимой области спектра и высокому коэффициенту преломления. В различных вариантах практического исполнения АПП выступают либо в качестве среды для реализации необходимых элементов, либо как покрытия различного назначения: защитные, теплопроводящие декоративные и т.п.

Известен способ формирования углеродного алмазоподобного покрытия в вакууме /1/, включающий предварительную подготовку поверхности изделия, помещение изделия в разрядную камеру, обработку поверхности изделия ускоренными ионами, получение углеродной плазмы путем электродугового вакуумного распыления графитового катода и осаждение полученной с помощью импульсного разряда углеродной плазмы на поверхность изделия.

В этом способе в качестве источника углерода используется малопористый графит высокой чистоты. Для получения легированных (включающих различные примеси) пленок используется графит с примесью легирующего компонента. В процессе распыления графита в разрядной камере возможно образование частиц микронного размера, что требует принятия мер для их сепарации, так как частицы графита, попадая на подложку, снижают качество АПП. К тому же, способ довольно сложен в реализации и требует значительных затрат электроэнергии, которая необходима для распыления графита.

Известен способ получения алмазной пленки по методу осаждения из газовой фазы /2/, выбранный в качестве прототипа, включающий установку подложки в разрядной камере, вакуумирование камеры, подачу углеродсодержащей газовой рабочей среды в камеру и создание в ней плазменного разряда с последующим выдерживанием режима плазменного разряда в течение времени осаждения алмазоподобной пленки. В этом способе предварительно на подложку наносят кристаллический углерод (центры кристаллизации), на который осаждают углеродную компоненту из газообразной рабочей среды. Углеродную компоненту получают в процессе диссоциации и ионизации углеродсодержащих молекул газа. Поток активных частиц за счет этого обогащается углеродом, который и образует АПП при осаждении на подложку. Легирование АПП по этому способу осуществляют введением в газовую рабочую среду газовой примеси, которая содержит легирующие компоненты.

Недостатком способа является то, что выделение легирующей компоненты для осаждения АПП осуществляют из газовой фазы в процессе диссоциации и ионизации углеродсодержащих молекул и молекул, содержащих легирующую примесь, а оптимальные характеристики этих процессов, как правило, не совпадают. Кроме того, кристаллическая структура АПП, полученных по такому способу, определяется предварительно нанесенным на подложку слоем кристаллических частиц и сохраняется лишь при малых толщинах пленок. Другими словами, в пленке сохраняется лишь ближний порядок кристаллической структуры, который отвечает структуре центров кристаллизации. При росте АПП по мере удаления от центров кристаллизации их влияние на структуру АПП ослабевает и структура АПП меняется.

Сущность изобретения.

Задачей изобретения является упрощение способа, получение зародышей кристаллообразования по толщине пленки и возможность внедрения необходимых примесей по объему пленки.

Техническим результатом изобретения является улучшение качества АПП за счет улучшения ее структуры и состава.

Технический результат в заявляемом способе получения алмазоподобной пленки достигается тем, что в известном способе, включающем установку подложки в разрядной камере, вакуумирование камеры, подачу углеродсодержащей газовой рабочей среды в камеру и создание в ней плазменного разряда с последующим выдерживанием режима плазменного разряда в течение времени осаждения алмазоподобной пленки, новым является то, что углеродсодержащую газовую рабочую среду подают в виде газовзвеси, которую создают перед подачей путем распыления вне камеры в газе пониженного давления твердых углеродсодержащих частиц предварительно сформированной заданной структуры, размера и состава.

Во втором варианте способа в качестве твердых углеродсодержащих частиц среды используют частицы взрывного ультрадисперсного алмаза.

В третьем варианте способа в качестве твердых углеродсодержащих частиц среды используют частицы легированного взрывного ультрадисперсного алмаза.

В четвертом варианте способа в качестве газа используют инертный газ либо смесь инертного газа с углеводородом.

В пятом варианте способа распыление твердых углеродсодержащих частиц проводят путем их раздува газом пониженного давления.

В шестом варианте способа распыление твердых углеродсодержащих частиц проводят путем их подачи в газ пониженного давления.

Не обнаружены технические решения, совокупность признаков которых совпадает с совокупностью признаков заявляемого способа по пп.1-6, в том числе с отличительными признаками. Эта новая совокупность обеспечивает получение вышеуказанного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию «изобретательский уровень».

Подача углеродсодержащей газовой рабочей среды в виде газовзвеси, создаваемой перед подачей путем распыления вне камеры в газе пониженного давления твердых углеродсодержащих частиц предварительно сформированной заданной структуры, размера и состава, позволяет ввести в разрядную камеру зародыши кристаллообразования в процессе роста АПП, которые формируют ее структуру по всему объему и обеспечивают возможность внедрения в нее необходимых примесей. Характер процесса распыления твердых частиц в газе пониженного давления таков, что газовзвесь формируется лишь для частиц малого размера, то есть крупные частицы, которые могут вызвать неоднородности, просто не попадут в газовый поток и останутся за пределами разрядной камеры и формируемой АПП, что улучшает равномерность ее структуры и состава. Кроме того, частицы, являясь центрами кристаллизации роста АПП, попадая в разрядную камеру в течение всего времени протекания процесса роста АПП, участвуют в формировании ее структуры по всему объему, а не только в пределах ближнего порядка от поверхности подложки. Получение частиц заданной структуры, размера и состава, в том числе с заданными примесями, осуществляется независимо от роста АПП, следовательно, оптимизация процессов получения частиц и роста пленки происходит независимо друг от друга, что существенно упрощает способ.

В качестве твердых углеродсодержащих частиц среды можно использовать частицы взрывного ультрадисперсного алмаза, которые характеризуются малым размером (10-50 нм), алмазной структурой и малым количеством примесей (<1%). Достоинством частиц взрывного ультрадисперсных алмаза является также то, что они в отличие от углеводородов содержат в своем составе очень мало примеси водорода, что способствует улучшению состава АПП.

В качестве твердых углеродсодержащих частиц среды можно использовать частицы легированного взрывного ультрадисперсного алмаза. Метод получения ультрадисперсных алмазных частиц позволяет на стадии их синтеза внедрять в структуру алмаза различные примеси, которые могут быть полезными как при формировании, так и при использовании полученной АПП.

В качестве газа можно использовать инертный газ либо смесь инертного газа с углеводородом. При этом помимо функции носителя частиц газовая среда выполняет функции дополнительного поставщика углерода для роста пленок.

Распыление твердых углеродсодержащих частиц путем их раздува газом пониженного давления обеспечивает транспортировку в область плазменного разряда частиц малого размера, причем крупные частицы и конгломераты захватываться газовой средой не будут.

Распыление твердых углеродсодержащих частиц путем их подачи в газ пониженного давления также обеспечивает транспортировку в область плазменного разряда частиц малого размера, так как крупные частицы и конгломераты вследствие седиментации осаждаются на стенках и захватываться газом не будут.

На фиг.1 представлена схема устройства, которое реализует заявляемый способ, где 1 - Разрядная камера; 2 - Нагреваемая подложка; 3 - Источник разрядного тока; 4 - Устройство подготовки газовзвеси; 5 - Вакуумный насос; 6 - Баллоны с рабочим газом; 7 - Навеска частиц ультрадисперсного алмаза; 8 - Устройство подачи частиц в газ; 9 - Вентили.

На фиг.2. приведен спектр комбинационного рассеяния пленки, полученной по заявляемому способу.

Заявляемый способ по п.1 работает следующим образом. Устанавливают в разрядную камеру 1 подложку 2, вакуумируют разрядную камеру 1 насосом 5, нагревают подложку 2 до требуемой температуры, подают через устройство подготовки газовзвеси 4 углеродсодержащую газовую рабочую среду в камеру от источника 6 путем открытия вентилей 9. Распыливают вне камеры 1 в газовый поток пониженного давления с помощью устройства 4 твердые углеродсодержащие частицы предварительно сформированной заданной структуры, размера и состава и подают газовзвесь в разрядную камеру 1. С помощью источника разрядного тока 3 создают в камере 1 плазменный разряд постоянного либо высокочастотного тока. Выдерживают параметры нагрева подложки, плазменного разряда и потока газовзвеси в течение времени роста на подложке 2 углеродной пленки.

В способе по п.2 в качестве твердых углеродсодержащих частиц в газовый поток распыливают частицы взрывного ультрадисперсного алмаза с помощью устройства 4.

В способе по п.3 в качестве твердых углеродсодержащих частиц в газовый поток распыливают с помощью устройства 4 частицы взрывного ультрадисперсного алмаза, легированного примесями, например, бора или лития.

В способе по п.4 в качестве газа источника 6 подают инертный газ либо смесь инертного газа с углеводородом.

В способе по п.5 распыление твердых углеродсодержащих частиц проводят путем раздува в устройстве 4 насыпки частиц газом пониженного давления от источника 6.

В способе по п.6 распыление твердых углеродсодержащих частиц проводят путем их подачи в рабочую газовую среду с помощью устройства 8.

На предприятии разработано устройство, работающее по заявляемому способу. В качестве источника плазменного разряда используются источник постоянного тока высокого напряжения и источник высокочастотного (˜80 МГц) тока. Вакуумная система позволяет вакуумировать разрядную камеру до давления 10^-5 мм рт. ст. В качестве несущего газа для создания газовзвеси использовались гелий, аргон, азот, метан. В качестве частиц углеродсодержащего газа были выбраны образцы порошка ультрадисперсного алмаза.

На разработанном устройстве проведены эксперименты по получению пленок по способу, выбранному в качестве прототипа и по заявляемому способу. В качестве материала подложки использовались медь, сталь, молибден и кремний. Давление в разрядной камере в процессе роста пленок варьировалось в пределах 1-50 торр. Температура подложки в экспериментах варьировалась в пределах 50-400°С. Испытания показали, что в спектрах комбинационного рассеяния пленок, полученных по заявляемому способу (см. фиг.2), наблюдается четко выраженный пик, отвечающий волновому числу 1332 см^-1, что указывает на сформировавшуюся алмазную структуру.

Такой пик наблюдался в пленках различной толщины. В пленках, полученных по способу, взятому за прототип (в качестве углеродсодержащего вещества использовался метан без частиц ультрадисперсного алмаза) такой пик был сильно сглажен, особенно для более толстых пленок. Указанное сравнение показало, что частицы ультрадисперсного алмаза участвуют в формировании структуры и состава пленки в процессе всего времени роста, вследствие чего характеристики пленки по толщине, в отличие от пленок, полученных по способу, взятому за прототип, не меняются. Кроме того, в пленках обнаружены примеси, которые присутствовали в частицах ультрадисперсного алмаза, такие как бор и литий, что не наблюдалось в пленках, полученных по прототипу.

Заявляемый способ найдет применение в эмиссионной технике для разработки эмиттеров электронов, так как дает возможность получать пленки с широким составом примесей по объему пленки. Получаемые пленки имеют хорошую адгезию к материалу подложки, термически стабильны при высоких температурах. Внедрение в пленку примесей, таких как бор, литий позволит разработать эмиттер с низкой работой выхода электронов, высоким эмиссионным током и высоким сроком службы такого прибора в условиях повышенных температур.

Источники информации

1. Патент RU №2114210 МКИ: 6 С 23 С 14/06, 14/22, опубликован 27.06.98 г.

2. Патент US №5660894 МКИ: С 23 С 16/27 М2, опубликован 26.08.1997 г.

Изобретение относится к получению сверхтвердых покрытий в вакууме, к способам формирования алмазоподобного покрытия и может быть использовано в электронной и эмиссионной технике, в качестве покрытий оптических деталей и в качестве декоративных покрытий. Способ включает установку подложки в разрядной камере, вакуумирование камеры, подачу углеродсодержащей газовой рабочей среды в камеру и создание в ней плазменного разряда с последующим выдерживанием режима плазменного разряда в течение времени осаждения алмазоподобной пленки. Углеродсодержащую газовую рабочую среду подают в виде газовзвеси, которую создают перед подачей путем распыления вне камеры в газе пониженного давления твердых углеродсодержащих частиц предварительно сформированной заданной структуры, размера и состава. Обеспечивается улучшение качества пленки за счет улучшения структуры и состава АПП. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения алмазоподобной пленки, включающий установку подложки в разрядной камере, вакуумирование камеры, подачу углеродсодержащей газовой рабочей среды в камеру и создание в ней плазменного разряда с последующим выдерживанием режима плазменного разряда в течение времени осаждения алмазоподобной пленки, отличающийся тем, что углеродсодержащую газовую рабочую среду подают в виде газовзвеси, которую создают перед подачей путем распыления вне камеры в газе пониженного давления твердых углеродсодержащих частиц предварительно сформированной заданной структуры, размера и состава.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве твердых углеродсодержащих частиц среды используют частицы взрывного ультрадисперсного алмаза.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве твердых углеродсодержащих частиц среды используют частицы легированного взрывного ультрадисперсного алмаза.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газа используют инертный газ либо смесь инертного газа с углеводородом.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что распыление твердых углеродсодержащих частиц проводят путем их раздува газом пониженного давления.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что распыление твердых углеродсодержащих частиц проводят путем их подачи в газ пониженного давления.