Введение к работе
Актуальность
Одним из методов формирования защитных покрытий является метод газофазного осаждения, при котором образуются максимально плотные осадки. Существующие технологии осаждения покрытий из газовой фазы ориентированы, в основном, на восстановление галогенидов металлов водородом. Водород может растворяться в осажденных металлических покрытиях и ухудшать их свойства (водородная хрупкость). Применение металлических восстановителей позволяет не только избавиться от водородной хрупкости, но и снизить температуру процесса и увеличить скорость осаждения. В качестве восстановителей могут быть использованы щелочные металлы, металлы второй и третьей группы. В зависимости от выбора металла-восстановителя процессы, протекающие при восстановлении, будут различными. В настоящее время процессы газофазного восстановления металлами практически не исследованы.
За рубежом CVD (Chemical Vapor Deposition) установки для нанесения покрытий из газовой фазы широко используются в практике и серийно выпускаются многими фирмами (EQUIPMENT CORPORATION, CVC, APPLIED MATERIALS и др.). В большинстве CVD установок используется водородное восстановление галогенидов металлов или их пиролиз. Отечественная промышленность выпускает установки для нанесения износо - и жаростойких покрытий: УЗ, УВН, ЛАДА, ПУСК, БУЛАТ и пр., однако эти установки позволяют проводить только физическое осаждение из паровой фазы. Ни одна из существующих на сегодняшний день установок не позволяет проводить исследования процессов газофазного осаждения с применением металлических восстановителей. В связи с этим, является актуальным создание установки газофазного осаждения, позволяющей применять для восстановления реагентов металлические пары.
Большое количество переменных параметров газофазного осаждения требуют их предварительной оценки. Для определения параметров химического газофазного осаждения восстановлением парами металлов актуальным является проведение термодинамических расчетов по определению областей стабильности конденсированных фаз. Термодинамические расчеты позволяют определить условия получения качественного покрытия и оптимизировать технологические процессы.
Цепь и задачи работы.
Целью данной работы является создание экспериментальной установки и разработка методики для нанесения покрытий из газовой фазы восстановлением парами металлов-восстановителей. Для достижения цели решались следующие задачи:
проектирование и изготовление экспериментальной установки для нанесения покрытий из газовой фазы, позволяющей применять в качестве восстановителей пары металлов;
разработка модели и проведение термодинамических расчетов по определению областей стабильности фаз при нанесении покрытий из газовой фазы восстановлением парами металлов;
нанесение покрытий методом газофазного осаждения с применением для восстановления паров металлов на изготовленной установке.
На защиту выносятся:
экспериментальная установка газофазного нанесения покрытий, позволяющая использовать для восстановления пары металлов - восстановителей, с возможностями получения покрытий в больших интервалах температур и концентраций, а так же осаждать комплексные покрытия, состоящие из чистых металлов и керамических слоев;
результаты термодинамического анализа процессов газофазного осаждения чистых металлов, карбидов, полученных восстановлением парами металлов;
экспериментально найденные условия синтеза покрытий:
а) однослойных: танталовых, рениевых, молибденовых, гафниевых;
б) многослойных: рений - танталовых, молибден — танталовых, молибден -
рениевых, молибден - рений - танталовых покрытий;
в) керамических покрытий: боридов циркония и гафния.
Научная новизна
Основные результаты, определяющие научную новизну работы, состоят в следующем:
-впервые создана универсальная экспериментальная установка, позволяющая наносить покрытия из газовой фазы восстановлением галогенидов как парами металлов так и водородом;
-на основании термодинамического анализа газофазного
восстановления кадмием, цинком и магнием галогенидов молибдена, тантала, рения, циркония, гафния найдены условия получения однофазных металлов и карбида гафния;
-проведена термодинамическая оценка минимальных температур осаждения при использовании различных металлов-восстановителей;
-впервые получены покрытия осаждением из газовой фазы при восстановлении галогенидов парами металлов;
-определено влияние примесей кислорода на процесс осаждения чистых металлов тантала, циркония, гафния.
Таким образом разработана методика осаждения покрытий из газовой фазы восстановлением парами металлов.
Практическая значимость
- Изготовлена установка для нанесения покрытий из газовой фазы
восстановлением галогенидов парами металлов без участия водорода,
которая позволяет наносить, исследовать условия осаждения и
оптимизировать технологические параметры безводородного метода
нанесения покрытий.
- Экспериментально определены оптимальные условия осаждения ряда
покрытий восстановлением парами металлов.
Конструкция установки отработана на натурных образцах и может быть принята за основу при проектировании промышленной установки.
Получены слои из чистых металлов, боридов, карбидов, силицидов, необходимые для формирования многослойных защитных покрытий, восстановлением парами кадмия, цинка, магния.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: III Международной школе-семинаре "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах" ( АлтГТУ, Барнаул, 1996 ), III Российской университетско-академической научно-практической конференции, (Ижевск, 1997), "XIV Уральской школе металловедов - термистов. Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов", (Ижевск - Екатеринбург, 1998), IV Международной школе-семинаре "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах" (АлтГТУ, Барнаул, 1998).
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 149 источников. Работа изложена на 142 страницах, содержит 20 таблиц, 44 рисунка.
