СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЙ АЛМАЗОПОДОБНОГО УГЛЕРОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК C23C14/24 

Изобретение относится к технике нанесения покрытий путем проведения неравновесных процессов, объединяющих распыление графита ионами килоэлектронвольтных энергий, осаждение распыленных атомов углерода и ионов углерода в условиях ассистированного облучения ионами плазмообразующего газа в вакууме. Может быть использовано для упрочнения рабочих кромок лезвийного режущего инструмента, в частности хирургического, и покрытия острийных поверхностей автоэмиссионных катодов. Защиты от химически агрессивных сред и повышенных температур, требующих химической инертности и биосовместимости покрытий, высокой твердости и низкого трения, высокой эмиссионной способности.

Известен способ нанесения алмазоподобной углеродной пленки на подложку из органического стекла (патент RU 2401883, С23С 16/26, 2008). В ионный источник подают пары толуола С₇Н₈ до давления 0,05-0,1 Па, изменяют мощность ионного источника в пределах 60-80 Вт и напряжение смещения подложки от -100 до -200 В и в течение 5-10 мин наносят защитный слой толщиной 80-120 нм. Основной вклад в скорость роста покрытия определяется содержанием толуола и мощностью ионного источника. Подложку с подложкодержателем устанавливают наклонно и подвижно относительно оси распространения плазмы от ионного источника. При напряжении смещения подложки от -100 до -200 В и мощности ионного источника 60-80 Вт средняя кинетическая энергия ионов приближается к значениям 80-100 эВ и образуется плотный слой, значительно устойчивее к механическим, температурным, химическим и другим разрушающим воздействиям. Несмотря на упрощение процесса нанесения покрытий в единой технологической установке, обеспечение адгезии защитного слоя с органическим стеклом, исключение употребления инертного газа, уменьшение времени процесса и используемой электроэнергии, основным недостатком способа является использование высокотоксичного плазмообразующего газа толуола, низкая эффективность процесса, сложность управления и недостаточная воспроизводимость свойств покрытий.

Известен способ получения износостойких сверхтвердых покрытий (патент RU 2360032, С23С 14/24), характеризующийся повышенной адгезией, износостойкостью и температурной стабильностью. Алмазоподобное углеродное покрытие наносят катодным распылением графита, или лазерным распылением графита, или плазменной деструкцией углеродсодержащих газов, или паров углеродсодержащих жидкостей в виде многослойного покрытия, при этом осуществляют по меньшей мере однократное чередование нанесения слоя алмазоподобной пленки и обработки ее ионами газов, таких как аргон, неон, ксенон, криптон, кислород, азот, водород, фреоны, углеводороды или их смеси при давлении их 10^-3-10 Па. Недостатком способа получения высокопрочных углеродных алмазоподобных покрытий является недостаточная адгезия наносимых покрытий к различным инструментальным сталям при толщине покрытий более 1 мкм вследствие высоких внутренних напряжений в самой алмазоподобной пленке. Это, в свою очередь, приводит к недостаточной износостойкости и температурной стабильности алмазоподобных покрытий, особенно на инструментальных сталях.

Известен способ получения алмазоподобной пленки (патент RU 2254397 С23С 14/06, 2003). 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 газовой взвеси, 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 алмазоподобной пленки. Существенным недостатком является трудность подготовки газовой смеси путем стороннего распыления твердых углеродсодержащих частиц.

Известен способ получения алмазоподобных пленок для инкапсуляции солнечных фотоэлектрических элементов (патент RU 2244983, С23С 16/26, 2003). Сущность изобретения состоит в том, что в процессе получения алмазоподобных пленок для инкапсуляции солнечных фотоэлектрических элементов кинетическую энергию ионов, ток плазменного разряда и пространственное распределение плотности плазмы с составом ионов С+, Н+, N+ и Ar+ изменяют воздействием на поток ионов от радиального источника электрическим полем, которое формируется диафрагмирующим, нейтрализующим и ускоряющим кольцевыми электродами. Технический результат изобретения: получение однородных (с разбросом значений оптических параметров не более 5%) алмазоподобных пленок на поверхности солнечных фотоэлектрических элементов площадью более 110 см² с варьируемыми в заданных пределах оптическими параметрами, а также с высокой адгезией, микротвердостью и устойчивостью к агрессивным воздействиям. К недостаткам способа относится сложность контроля однородности пространственного распределения плазмы путем измерения плотности тока плазмы на поверхности солнечных фотоэлектрических элементов, температуру которой поддерживают не выше 80°C. Кроме того, подложкодержатель совершает сложное трехосевое движение в вакуумной камере. Применение дополнительных диафрагмирующих, нейтрализующих и ускоряющих кольцевых электродов. Трудности измерения и контроля однородности пространственного распределения плазмы, измерением плотности тока плазмы на поверхности солнечных фотоэлектрических элементов. Необходимость поддержания содержания углеводорода в газовой смеси в пределах от 2 до 40%.

Известно устройство для получения алмазоподобного покрытия (патент RU 2095466, С23С 14/32, 1995), позволяющее получать алмазоподобные покрытия на изделиях любых размеров с высокой производительностью. Устройство содержит камеру с патрубками подвода и отвода газов, два катода, анод и источник магнитного поля в виде постоянных магнитов с чередующейся полярностью, равноудаленных от поверхности изделия, один из катодов установлен на источнике магнитного поля, вторым катодом является само изделие. Анод выполнен в виде пластины, расположенной между катодами, причем отверстия в аноде по форме, размерам и количеству соответствует форме, размерам и количеству постоянных магнитов. Кроме того, для повышения производительности устройства источник магнитного поля выполнен в виде постоянных магнитов, установленных на магнитопроводе из магнитомягкого материала. Нанесение алмазоподобного покрытия ведут, подавая на анод положительный потенциал (обычно 1 кВ), в среде углеводорода при давлении 10^-2-10^-1 Па. Главным недостатком является неконтролируемое облучение плазменными ионами поверхности изделия, выполняющего функции катода высокое напряжение горения разряда, и невозможность снижения энергии ионов, падающих на растущую пленку и применение наряду с инертным газом газообразных углеводородов.

Известен способ нанесения аморфного углеводородного покрытия (патент RU 2382116, С23С 14/16, 2008), обладающего высокой твердостью, химической инертностью, низким трением, высоким электросопротивлением и теплопроводностью, с использованием плазменного катода, содержащего полый катод, поджигающий электрод и анодную сетку. Формирование покрытия осуществляется зажиганием несамостоятельного импульсно-периодического электрического разряда при подаче импульсно-периодического напряжения между стенками плазменной камеры и анодом в смеси химически инертного газа аргона Ar и углеводородсодержащего газа C₂H₂ ацетилена. Общим недостатком способа осаждения аморфных алмазоподобных углеводородных покрытий является необходимость активируемого плазмой электрического разряда разложения газообразных токсичных соединений углеводородсодержащего газа C₂H₂. Кроме того, недостатком является сложность многоступенчатой газоразрядной структуры, использование импульсных источников питания и, как следствие, - низкая энергоэффективность и надежность, сложность управления процессом нанесения покрытия и сложность технического решения в совокупности.

Известен способ получения алмазоподобных слоев (патент RU 1610949, С30В 23/02, 1988), который включает распыление мишени из графита импульсным TEA СО₂ - лазером с плотностью мощности излучения ~10⁸ Вт/см². Энергия в импульсе 1,3 Дж. Пары осаждают на подложку, расположенную от мишени на расстоянии не менее 10^-3 Па. Недостаток данного способа состоит в низком качестве покрытий (покрытия рыхлые, сильно дефектные), недостаточной производительности и невозможности нанесения однородных покрытий на большие площади, трудности воспроизведения режимов осаждения и крайне низком коэффициенте использования испаряемого материала (графита).

Известны способы получения покрытий - с алмазоподобной структурой (патент RU 2105379, С23С 16/26, 1994), защитных покрытий (патент RU 2048607, С23С 16/26 1989), наноструктурированных алмазных покрытий (патент RU 2456387, С23С 16/513, 2010), алмазного покрытия из паровой фазы (патент RU 2032765, С23С 14/00, 1988), слоев алмазоподобного углерода (патент RU 2205894, С23С 16/26, 1998). В известных способах нанесения покрытий на подложку используется плазма СВЧ-разряда. Либо в режиме электронного циклотронного резонанса в атмосфере рабочего газа или смеси газов, либо химическим осаждением из газовой фазы в СВЧ-плазме, либо из тепловой плазмы на постоянном токе с радикализацией газообразного углеродного соединения в плазменной струе и воздействием радикализованной плазменной струи на обрабатываемую подложку с образованием алмазного покрытия. При этом используется метан CH₄ или другой летучий углеводород в смеси с водородом или парами воды, различные смеси на основе монооксида углерода СО, в том числе с добавками инертных газов. На подложку подают постоянный отрицательный электрический потенциал, за счет которого она равномерно бомбардируется ионами из СВЧ-плазмы и наблюдается рост равномерной по толщине и структуре пленки. В случае осаждения из газовой фазы, в вакуумно-плотную камеру, снабженную системой регулировки подачи газа-генератора углерода (CH₄, CO, C₂H₂, C₂H₄) и водорода H₂, помещается изделие из вольфрама, в газовую форсунку СВЧ-плазмотрона подается смесь газов CH₄:Н₂=20:1 и зажигается СВЧ-разряд так, чтобы образующаяся плазма вблизи поверхности изделия имела температуру 3000-5000 К. После поджига плазмы и установления необходимых параметров, процесс продолжают в течение 12 ч. Недостатками известных способов является сложность управления и регулирования пространственным распределением магнитных полей, необходимость применения и трудность подготовки и поддержания необходимого состава газовой смеси, технические сложности, связанные с созданием магнитных полей объемными соленоидами, применение сложных конструкций генераторов СВЧ-энергии и ее подвода и необходимость зажигания СВЧ-разряда на частоте резонансного поглощения углеводородов. Кроме того, высокие температуры ограничивают и сужают номенклатуру обрабатываемых поверхностей.

Известен способ нанесения твердого углеродного покрытия на лезвие и бритвенный блок (патент RU 2238185, С23С 14/06, 1995), в котором графитовая мишень распыляется катодным пятном вакуумного дугового разряда, благодаря чему образуется интенсивный поток плазмы ионов углерода, который осаждается на лезвие, имеющее отрицательный потенциал. В результате образуется покрытие из аморфного алмаза толщиной 0,1 мкм. Существенным недостатком является нестабильность катодного пятна, низкая энергоэффективность, невысокая эффективность испарения углерода и, как следствие, недостаточное воспроизведение свойств покрытия.

Известен способ выращивания алмазоподобных покрытий распылением ионным пучком в варианте с дополнительным ионным источником Финкельштейна со стеклянной вакуумной камерой (Семенов А.П. Пучки распыляющих ионов: получение и применение. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 1999, 207 с.). Графитовая мишень распылялась пучком ионов Ar⁺ плотностью тока 0,5-1 мА/см², энергией до 10 кэВ при давлении 7·10^-5 Па. Растущие слои осветлялись вспомогательным пучком ионов Ar⁺ или Ar⁺ и $$C{H}_4^{+}$$ энергией <2 кэВ и током 0,2-0,5 мА. Скорость наращивания слоев на расстоянии 15 см от мишени с учетом условия N₁/N₂<1, где N₁ и N₂ число атомов углерода, соответственно покидающих и падающих на ростовую поверхность, составляла 8,3·10^-3-1,7·10^-2 нм/с. Более значительные скорости роста получены в парах бензола при сравнительно высоком давлении. Недостатком способа является сложность процессов распыления и осветления, состоящих в необходимости использования дополнительного ионного пучка. В этих условиях трудно обеспечить оптимизацию технологических параметров и реализовать пересыщение атомов углерода, как необходимого условия синтеза алмаза. Поскольку энергия ионов, падающих на растущий слой, должна быть достаточно низкой, чтобы не допустить каскада атомных смещений, затрудняющих образование устойчивых sp³ связанных областей и приводящих к появлению энергетически более выгодной структуры sp² связанных атомов углерода.

Известен способ нанесения покрытия (патент RU 2052540, С23С 14/46, 1992). По которому, для упрочнения режущего инструмента, увеличения износостойкости трущихся деталей, защиты от агрессивных сред, повышенных температур, на поверхность изделия в вакууме наносят покрытие распылением мишени ионным пучком инертного или химически активного вещества или комбинацией этих веществ. Кроме того, производят предварительную обработку этим же ионным пучком поверхности изделия, притом во время нанесения покрытия на поверхность изделия часть ионного пучка (до 10 процентов тока пучка) направляют непосредственно на обрабатываемую поверхность изделия, обеспечивая непрерывную его очистку. К характерным недостаткам способа нанесения покрытия, принятого в качестве прототипа изобретения, относится невысокая эффективность процесса осаждения из-за перераспыления осаждаемых паров при наклонном падении ионного пучка (угол падения 45-60°), при котором коэффициент распыления оказывается сравнительно высоким. Кроме того, в этих условиях практически невозможно реализовать пересыщение атомов углерода как необходимого условия синтеза алмаза и обеспечить оптимизацию технологических параметров, ввиду высокой энергии атомов отдачи выбиваемых при наклонном падении ионов под углом 45-60°, преодолевающих поверхностный потенциальный барьер. По сути, наблюдается распыление поверхности.

Наиболее близким техническим решением является способ получения алмазоподобного покрытия (патент RU 2094528, С23С 16/26, 1995) с улучшенным качеством покрытия в условиях значительного упрощения технологии процесса. Способ получения алмазоподобного покрытия осуществляется методом катодного распыления графита в рабочей среде в виде смеси водорода или углеводорода с инертным газом при соотношении парциальных давлений от 100:1 до 1:100. Устройство для реализации способа состоит из вакуумной камеры, патрубков для откачки, подачи инертного газа, напуска углеводорода, распыляемых графитных катодов, анода, подложек, держателей подложек. Катоды и анод образуют ячейку Пеннинга, необходимую для осуществления катодного распыления графита. Способ осуществляется следующим способом. В вакуумной камере создается магнитное поле, необходимое для работы ячейки Пеннинга, которое получают, используя магнитную катушку Гельмгольца или постоянные магниты, обеспечивающие направление магнитного поля параллельно оси ячейки величиной, достаточной для возникновения разряда Пеннинга (0,02-0,07 Тл). В камеру на держатели помещают подложки. Вакуумная камера откачивается до предельного вакуума. В камеру подают углеводород (толуол) или водород до установления равновесия между количеством вновь поступающего и откачиваемого газа при требуемом парциальном давлении. Затем в камеру подают инертный газ, например криптон, как обеспечивающий максимальную скорость распыления графита и, значит, скорость образования алмазоподобного покрытия так, чтобы суммарное давление водорода (углеводорода) и инертного газа составляло 5·10^-3 Па. На анод подают положительный потенциал (обычно 4 кВ). Регулируя подачу инертного газа в пределах указанного диапазона давлений, устанавливают требуемый ток разряда (обычно 1-5 мА), начинают распыление графита, и на изделия осаждается алмазоподобное покрытие. Время проведения процесса определяют толщину полученного покрытия. Наилучший результат получен при добавлении водорода до давления 2,5·10^-3 Па, однако скорость нанесения покрытия составляет 24 нм/ч, еще ниже, чем при работе без водорода.

Недостатком таких разрядов является крайне низкая плотность тока распыляющих ионов при токах разряда 1-5 мА и, как следствие, низкая производительность и эффективность процесса. Размещение подложек на периферии разряда накладывает ограничения на скорость роста и управляемость синтеза алмазной фазы. Скорость роста недопустимо низкая 60 нм/ч. При этом, очевидно, возникает селективное травление зародышей графита ионами водорода, который практически не травит области с алмазным типом связи. К недостатку относится использование токсичного толуола.

Изобретение позволяет устранить указанные недостатки прототипа, повысить эффективность процесса, благодаря объединения в единый процесс распыление графита ионным пучком, частичную ионизацию распыленных паров углерода, осаждение распыленных паров углерода и ионов углерода в условиях ассистированного воздействия на неравновесные процессы в наращиваемом покрытии ионов плазмообразующего газа. При этом процесс проводится при больших пересыщениях, обеспечивающих высокую вероятность образования алмазных зародышей, и в условиях предотвращения образования как графитовой структуры, так и перехода образовавшейся алмазной фазы в графит. Таким образом, условия нанесения пленок таковы, что основным фактором является в ростовом процессе роль трех сортов частиц - паров углерода, ионов углерода и ионов плазмообразующего инертного газа. Техническая задача достигается новым компактным устройством получения ионов инертных газов, паров и ионов углерода на основе отражательного разряда с холодным полым катодом. Распыляемая ионами аргона с энергией до 10 кэВ плоская мишень (графит) устанавливается на периферии разряда за эмиссионным каналом в стенке дна изолированного от нее полого катода. Плотность потока ионов из катодной плазмы достигает 100 мА/см² при ускоряющем напряжении до 10 кВ и токе разряда 0,2-0,5 А. Пары, образующиеся при ионном распылении мишени, ионизуются в катодной и анодной полостях. Пучок, содержащий ионы плазмообразующего газа и пара, извлекается через дополнительный эмиссионный канал в отражательном катоде. Вместе с ионами выходит часть пара распыляемой мишени, поток которого достаточен для выращивания на токопроводящие лезвия и острия со скоростью ~0,03 нм/с наноразмерных слоев алмаза на расстоянии 0,1 м от эмиссионного канала, в условиях воздействия пучка ионов. Доля ионов углерода в извлекаемом пучке составляет 0,05-0,1. Полный ток ионного пучка 20-30 мА.

Процесс получения углеродных слоев со свойствами алмаза осуществлялся по схеме фиг.1 с помощью устройства фиг.2. Получены наноразмерные углеродные слои толщиной 50-800 нм. Упрочняющие слои наносили на токопроводящие лезвия и острия осаждением потока пара и ионов углерода при прямом ассистированном воздействии ионов плазмообразующего инертного газа (высокое напряжение до 10 кВ подается на графитовую мишень 4, ускоряющее напряжение 0,12 кВ на токопроводящую подложку 11, фиг.1).

Фазовый состав и морфология поверхности полученных наноразмерных углеродных покрытий исследовались с помощью дифракции рентгеновских лучей (дифрактометр Rigaku с Cuk_α-излучением), инфракрасной спектроскопии (спектрометр UR-20, интервал волновых чисел 700-4000 см^-1), комбинационного рассеяния света (использовалась линия 488 нм аргонового лазера, спектрометр Т6400ТА of Dilor-Jobin Yvon-spex и спектрометр ДФС-24, для возбуждения использовали линию гелий-неонового лазера, λ=632,8 нм) и атомно-силовой микроскопии (Digital Instruments, Nanoscope 3, contact mode, Si₃N₄ type).

Возможность осуществления изобретения с использованием признаков способа, включенных в формулу изобретения, подтверждается примером его практической реализации.

Пример. На фиг.1 представлена принципиальная упрощенная схема процесса получения углеродных слоев на токопроводящей подложке, осаждением ионов и паров углерода в условиях ассистированного воздействия ионами плазмообразующего инертного газа. Из газоразрядной плазмы 1 ионы аргона 2 через эмиссионный канал 3 ускоряются напряжением 10 кВ и распыляют графитовую мишень 4. Пары углерода 5 через эмиссионный канал 3 встречно потоку распыляющих ионов 2 проникают в катодную и анодную полости и частично ионизуются быстрыми вторичными электронами, выбиваемыми с мишени 4. Ионы углерода 7 через дополнительный эмиссионный канал 6 ускоряются напряжением 0,12 кВ и осаждаются на токопроводящей подложке 11. Часть пара 8 с энергией частиц углерода >10 эВ напрямую выходит через дополнительный эмиссионный канал 6 и осаждается совместно с ионами углерода 7, образуя углеродный слой 9. Наращивание слоя происходит при ассистированном воздействии ионов 10 плазмообразующего инертного газа. На рентгенограмме (дифрактометр Rigaku с Cuk_α излучением), осажденного углеродного слоя наблюдается дифракционный максимум (d=2,0364 Å), соответствующий структуре алмаза (фиг.3). В спектре комбинационного рассеяния (использовалась линия 488 nm аргонового лазера, спектрометр Т6400ТА of Dilor-Jobin Yvon-spex) углеродного слоя присутствуют полосы поглощения при 1330 см^-1 и 1600 см^-1, характерные для связей в алмазе (фиг.4). Результаты исследования поверхности углеродных слоев атомно-силовой микроскопией (Digital Instruments, Nanoscope 3, contact mode, Si3N4 type), свидетельствуют о том, что наблюдается глобулярная стадия роста с поверхностным размером частиц 50 нм и высотой 5 нм. Средняя высота неровностей поверхности составляет 6,425 нм.

На фиг.2 представлена предложенная новая конструкция устройства на основе отражательного разряда с полым катодом. Разряд характеризуется свойствами аномального тлеющего разряда, возбуждается в разрядной камере, образованной полым 20 (длина полого катода существенно меньше его диаметра) и отражательным 12 катодами и анодом 14 с отверстием ⌀16 и длиной 12 мм. На стенке 13 дна полого катода 20 и в отражательном катоде 12 выполнены осевые соосные соответственно, эмиссионный канал 3 и дополнительный эмиссионный канал 6 ⌀8 мм. В противоположной стенке полого катода 20 выполнено соосно с эмиссионными каналами отверстие 17, связывающее катодную и анодную полости. Расстояние между отражательным и полым катодами 10 мм. Анализ влияния радиуса анода и расстояния между катодами показывает, что их увеличение приводит к снижению концентрации осевой плазмы. Катоды 20 и 12, изолированные от анода 14 фторопластовыми прокладками, изготовлены из магнитной стали и служат полюсными наконечниками кольцевого магнита. Продольное магнитное поле в анодной полости с индукцией 0,1 Тл создается кольцевым постоянным ферритовым магнитом 15. Тепло от катодов и магнита отводится к медному корпусу разрядной камеры, охлаждаемому проточной водой. Анод 14 соединяется внутренним разъемом с внешним электрическим разъемом 16. На периферии полого катода 20, за эмиссионным каналом 3 на изолированном от катода держателе, установлена охлаждаемая водой плоская графитовая мишень 4 диаметром 6 мм. Расстояние между внешней плоскостью стенки дна полого катода и мишенью 4 мм. Катодная полость сообщается с анодной полостью через отверстие 17 ⌀4 мм. На токопроводящую мишень 4 подается напряжение до 10 кВ от регулируемого источника питания 18. Пары углерода, образующиеся при распылении мишени 4, поступают в катодную и анодную полости. При этом значительная часть пара выходит из разрядной камеры в направлении извлечения ионов углерода и плазмообразующего газа. Пары углерода, проходящие через дополнительный эмиссионный канал 6, совместно с ионами углерода конденсируются на подложке 11 с образованием наноразмерных слоев алмазоподобного углерода заданной структуры в условиях ассистированного воздействия ионами плазмообразующего газа Ar. Разрядное напряжение подается от стабилизированного источника тока 19 на промежуток «электрически соединенные катоды - анод». Напряжение горения для разрядных токов 0,1-0,5 А составляет 350-380 В. Рабочий газ - аргон. Его давление в катодной полости достигает 5-13 Па. Газ напускают через отверстие на периферии полого катода.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения от источника 19 в несколько сотен вольт между катодами 20 и 12 и анодом 14 зажигается отражательный разряд. Полый анод 14 заполняется плазмой, слабое свечение которой можно наблюдать через дополнительный эмиссионный канал 6. При определенном критическом токе отражательного разряда протяженность участка катодного падения напряжения перед отверстием 17 становится соизмеримой с поперечными размерами отверстия, в результате ионная оболочка разрывается и плазма проникает в катодную полость. Проникновение плазмы сопровождается усилением разрядного тока, снижением напряжения горения, появлением тока в катодной полости и ярко светящегося плазменного шнура на оси разряда, что позволяет говорить о разряде с полым катодом. Плазма приобретает высокую эмиссионную способность. При подаче на мишень 4 от источника 18 напряжения до 10 кВ отрицательной полярности относительно стенки 13 полого катода 20 однократно заряженные ионы аргона из катодной плазмы ускоряются до энергии в несколько килоэлектронвольт и бомбардируют мишень 4. В результате мишень распыляется с образованием паров углерода и одновременно эмитирует вторичные электроны с энергией, равной энергии ионов. Пары проникают через эмиссионный канал 3 в катодную полость и через отверстие 17 - в анодную полость, где ионизуются. Часть паров конденсируется на стенках полого катода, часть проникает в дополнительный эмиссионный канал 6 и попадает на подложку 11. Пары со стенок тут же распыляются, но уже ионами, ускоренными в катодном падении напряжения % U_k~0,85 U_p (где U_p - напряжение горения разряда 350-380 В), так как пороговая энергия распыления существенно меньше U_k. При этом атомы пара получают кинетическую энергию, превышающую энергию связи (сублимации поверхности), которая составляет 0,645-8,76 эВ. Заметный вклад в снижение потерь пара дает распыление ионами пара со стенок катода. При ускоряющем напряжении до 10 кВ и токе разряда 0,2-0,5 А плотность потока распыляющих ионов из катодной плазмы достигает 100 мА/см². Осаждение части распыленных паров мишени на внутренней стенке полого катода свидетельствует о важной роли процесса вторичного распыления в повышении эффективности ионизации паров углерода. Низкая 0,05-0,1 степень ионизации способствует выходу через эмиссионный канал 6 потока пара, достаточного для выращивания тонких слоев алмазоподобного углерода со скоростью ~0,03 нм/с на подложке 11, установленной на расстоянии 5-10 мм от эмиссионного канала 6. Доля ионов углерода, выходящих через эмиссионный канал 6, составляет 0,05-0,1 относительно потока ионов плазмообразующего газа.

Предложенный способ получения покрытий алмазоподобного углерода и устройство для его осуществления характеризуется неограниченной возможностью получения слоев алмазоподобной структуры при низких температурах и давлениях, причем распылением графита ионным пучком достигнуты приемлемые для ряда технологических применений условия получения паров углерода. Особенно выделяется управляемый синтез углеродных покрытий структуры алмаза в широкой области свойств посредством управления параметрами и характеристиками ионного распыления, ионного осаждения и ионного облучения, задающими высокое содержание углеродных фаз с sp³ валентной гибритизацией электронов. Кроме того, как показали эксперименты, достоинства устройства нашли подтверждение применительно к следующим процессам:

- препарирование (активирование, очистка) поверхности подложки пучком ионов аргона (ускоряющее напряжение до 20 кВ);

- получение наноразмерных слоев из паров токопроводящей мишени, причем в потоке пара доминируют частицы с энергией ≥10 эВ (на мишень подается напряжение отрицательной полярности до 10 кВ);

- получение наноразмерных слоев из потока пара и ионов при воздействии ионов плазмообразующего газа;

- проведение пересыщения в процессе получения наноразмерных алмазных слоев воздействием ионным пучком на структуру углеродного конденсата.

Изобретение относится к нанесению покрытий из алмазоподобного углерода и может быть использовано для упрочнения рабочих кромок лезвийного режущего инструмента, в частности хирургического, и покрытия острийных поверхностей автоэмиссионных катодов. Способ получения покрытий из алмазоподобного углерода включает генерацию газоразрядной плазмы, высоковольтную эмиссию из плазмы распыляющих ионов, распыление ускоренными ионами плазмообразующего инертного газа графитовой мишени с образованием паров углерода, конденсацию паров и ионов углерода на подложке, контактирующей с газоразрядной плазмой. Поток паров углерода напускают в катодную и анодную полости через отверстие в дне полого катода во встречном направлении потоку ускоренных до 10 кВ распыляющих ионов и ионизуют в разряде с полым катодом. Часть потока паров углерода выпускают через эмиссионный канал в отражательном катоде в одном направлении и совместно с потоком образованных ионов углерода и ионов плазмообразующего инертного газа, осаждение паров и ионов углерода ведут при прямом управляемом воздействии ионами плазмообразующего инертного газа с энергией 0,12 кэВ. Устройство для получения покрытий из алмазоподобного углерода содержит графитовую мишень, полый и отражательный катоды, цилиндрический анод, магнитную систему, систему напуска плазмообразующего инертного газа, источники электрического питания и подложку. В торцевых стенках цилиндрического полого катода выполнены два осевых соосных отверстия, в одном отверстии на дне полого катода устанавливают изолированную от полого катода графитовую мишень под высоким отрицательным электрическим потенциалом, другое отверстие связывает катодную и анодную полости. В отражательном катоде выполнен осевой эмиссионный канал, на периферии которого размещена подложка под отрицательным электрическим потенциалом, на которую направляют пары углерода, ионы углерода и ионы плазмообразующего газа аргона. Обеспечивается защита подложек от химически агрессивных сред и повышенных температур, требующих химической инертности и биосовместимости покрытий, высокой твердости, низкого трения и высокой эмиссионной способности. 2 н.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.

1. Способ получения покрытий из алмазоподобного углерода на токопроводящей подложке, включающий генерацию газоразрядной плазмы, высоковольтную эмиссию из плазмы распыляющих ионов, распыление ускоренными ионами плазмообразующего инертного газа графитовой мишени с образованием паров углерода, конденсацию паров и ионов углерода на подложке, контактирующей с газоразрядной плазмой, отличающийся тем, что поток паров углерода напускают в катодную и анодную полости через отверстие в дне полого катода во встречном направлении потоку ускоренных до 10 кВ распыляющих ионов и ионизуют в разряде с полым катодом, часть потока паров углерода выпускают через эмиссионный канал в отражательном катоде в одном направлении и совместно с потоком образованных ионов углерода и ионов плазмообразующего инертного газа, осаждение паров и ионов углерода ведут при прямом управляемом воздействии ионами плазмообразующего инертного газа с энергией 0,12 кэВ.

2. Устройство для получения покрытий из алмазоподобного углерода на токопроводящей подложке, содержащее графитовую мишень, полый и отражательный катоды, цилиндрический анод, магнитную систему, систему напуска плазмообразующего инертного газа, источники электрического питания и подложку, отличающееся тем, что в торцевых стенках цилиндрического полого катода выполнены два осевых соосных отверстия, в одном отверстии на дне полого катода устанавливают изолированную от полого катода графитовую мишень под высоким отрицательным электрическим потенциалом, другое отверстие связывает катодную и анодную полости, в отражательном катоде выполнен осевой эмиссионный канал, на периферии которого размещена подложка под отрицательным электрическим потенциалом, на которую направляют пары углерода, ионы углерода и ионы плазмообразующего газа аргона.