CC BY
105
УДК 537.525.7:621.762
И. Ш. Абдуллин, В. С. Желтухин
ВЧ-ПЛАЗМЕННАЯ ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ПОНИЖЕННОМ ДАВЛЕНИИ
Описаны результаты В1--плазменной очистки поверхностей металлов, полупроводников и диэлектриков при пониженных давлениях. Показано, что спецификой ВЧ-плазменной полировки поверхностей твердых тел являются универсальность воздействия на различные материалы.
ВВЕДЕНИЕ
Большое значение в ряде отраслей производства (полупроводниковое, гальваническое, нанесение покрытий) имеют процесс финишной очистки поверхности. Применение для этих целей химической обработки в агрессивных средах связано с существенными затратами на нейтрализацию этих веществ и очистку сточных вод. Поэтому в последние годы интенсивно разрабатываются «сухие» ионно-плазменные и плазменные методы очистки, позволяющие уменьшить или полностью отказаться от использования химических веществ.
Высокочастотная (ВЧ) плазма инертных газов при пониженном давлении Р = 1.33 -133 Па, частоте электромагнитного поля f :
Р 15
1.76 - 13.56 МГц, вкладываемой в разряд мощности^й 1 ^
Па Те 14
Па любое тело, независимо отгтого,^^^^)^ ли онроводником, полуп
- концентрация нейтральных частиц; электроннАятй мЛе ралрю настоящей ра
коэфф ицй&25 аккомодации падает быстрее, чемэффициент распыления. При малых энергиях частиц очистка иде
р. 133133
W■i
начинается обратный процесс, и одновременно с плазменной полировкой происходит внедрение загрязнений в поверхность. Наиболее эффективно проводить плазменную очистку в струе ВЧ-емкостн (ВЧЕ) разряда пониженного давления.
Исследование взаимодействия струи ВЧЕ-плазмы с образцами из меди проводилось при температуре образца (твердого тел. ТТ J 423 К, что обусловлено ухудшением оптических свойств медных образцов при более высокой температуре обработки.
Обработка проводилась при варьировании параметров режима в следующих пределах: = 40-60 эВ, = 0.2-1.8 Ам-2,
плазмообразующий газ - аргон, время обработки №бр = 1-60 мин, мощность разряда Pd = 1-1.5 кВт. Критерием очистки меднь образцов служила величина коэффициента рассеяния.
На рис. 1 представлен график изменения коэффициента рассеяния sp от плотности тока. Зависимость sp/sp0, где sp0 - значе1 коэффициента рассеяния до обработки, является немонотонной. Уменьшение коэффициента рассеяния в 2 раза достигается
обработке в режиме Wi = 55 эВ, = 0.9 Ам-2. Усиление режима ионной бомбардировки приводит к частичному внедрению загрязнений в поверхностный слой, о чем свидетельствуют данные рентгенографического анализа и оже-спектроскопических исследований. Результатом этого является ухудшение очистки.
о
£1
:1Х
0.6
0.5
0.5 1.0 1.5 ]|,А-м-2
Рис. 1 - Зависимость относительного изменения коэффициента рассеяния медных зеркал от плотности ионного тока при обработке в ВЧ-емкостном разряде в течение 1 800 с ^ = 55 эВ, sp0 = 0.3%)
Очистка образцов из 40Х13, 20Х13, 30Х13 и ВК6-ОМ в потоке ВЧ-плазмы пониженного давления при Wi = 50 э1В,
= 0.9 Ам-2показала следующее. Адгезионная прочность покрытий из нитрида титана на образцах, подвергнутых
Очисткадиэлектрических- материалов:стекол,ситалла,гсапфира,-|пол
= 1,5 Ам-2. Это связано с различием в энергии адсорбции частиц на поверхности металлов и на поверхности диэлектриков. Качество очистки этих материалов определялось в основном по величине
адгезионной прочности покрытия к подложке. Как видно из табл. 1, очистка в струе ВЧЕ-разряда пониженного давления позволяет увеличить адгезионную прочность по сравнению с очисткой в тлеющем разряде не менее чем в 1,5 раза.
При обработке ВЧ-плазмой порошков синтетического алмаза основными показателями степени очистки выбраны изменение
диэлектрической проницаемости и тангенса электрических потерь tgdП. Косвенным показателем качества очистки являлис результаты сравнительных испытаний на износ алмазированных стоматологических боров.
Результаты измерений (рис. 3) показали, что амплитудно-частотные характеристики пустого резонатора и резонатора, заполненного порошком, очищенным в ВЧЕ-плазме пониженного давления, практически совпадают (наблюдается лишь небольшой сдвиг резонансной частоты ~ 250 кГц). При помещении в резонатор порошка, очищенного химическим методом, добротность резонатора уменьшается с 815,5 до 240.
Таблица 1 - Значения адгезионной прочности покрытий в зависимости от способа очистки подложки
Адгезионная прочность покрытия, МПа
Вид материала покрытие/подложка Время обработки, мин после очистки в тлеющем разряде после очистки в ВЧ-емкостном разряде пониженного давления
SiO2/KB 5 0.1 0.4
10 1.5 100
15 400 600
30 400 600
SiO2/K8 5 0.1 0.6
10 2 300
15 50 1 000
30 600 1 000
SiO2/сапфир 5 0.1 0.4
10 0.8 80
15 60 400
30 200 400
Гранат/галлий- 5 0.1 0.4
гадолиний 10 0.8 0.8
15 2 10
30 6 10
SiO2/поликор 5 0.1 0.5
10 3 300
15 70 1 000
30 600 1 000
SiO2/ситалл 5 0.15 0.45
10 10 250
15 70 800
30 600 800
Кроме того, сдвиг частоты в этом случае происходит в противоположном направлении, чем при размещении очищенного в плазме порошка. Это свидетельствует о наличии в химически очищенном порошке остаточных загрязнений.
Сравнительные испытания алмазированных стоматологических боров показали, что время наработки изделий, изготовленных
по
рошка синтетического алмаза, после ВЧ-
Рис. 3 - Амплитудно-частотные характеристики СВЧ-резонатора частота сигнала; и, и0- амплитуда резонансного сигнала и сигнала генератора): 1 - пустого; 2 - с порошком синтетического алмаза, очищенны в ВЧЕ-разряде пониженного давления (при Wi =
60 эВ, Л = 0.7 А-м-2); 3 - с неочищенным порошком синтетического алмаза плазменной очистки в 2 раза выше, чем у изделий, изготовленных из необработанного порошка; производительность первых удельному съему материала в 1,5-2 раза выше, чем у вторых. Процесс алмазирования изделий порошком, прошедшим ВЧ-плазменную обработку, протекает в 2 раза быстрее, по сравнению с необработанным порошком.
Результаты исследований показали, что ВЧ-плазменная очистка при пониженном давлении позволяет удалять загрязнения, которые не удаляются обычными методами. Кроме того, обработка в ВЧ-плазме пониженного давления приводит к улучшению межфазной адгезии, физсорбции, смачиваемости, электростатическим взаимодействиям, взаимной диффузии, образованию свободных радикалов и возбужденных молекул на поверхности, введению полярности, созданию слабых пограничных слоев. Конфигурация образцов существенного влияния на эффективность очистки не оказывает. Данный способ очистки можно применять как при нанесении гальванических покрытий, что существенно изменяет степень их экологической опасности, так и при получении пленок электрофизическими методами.
ВЫВОДЫ
В результате проведенных исследований установлено, что обработка ВЧ-плазмой при пониженных давлениях является высокоэффективным методом очистки поверхности твердых тел. Процесс ВЧ-плазменной очистки является универсальным: различные материалы обрабатываются одинаковым образом вследствие того, что любое твердое тело в ВЧ-плазме понижен давления становится дополнительным электродом, и основным процессом, ответственным за модификацию поверхности, является бомбардировка низкоэнергетичными ионами и рекомбинация заряженных частиц.
Экспериментальная часть
ВЧ-емкостные разряды создавались в цилиндрической разрядной камере из кварца с внутренним диаметром от 10 до 110 мм помощью внешних кольцевых электродов, соосных с разрядной камерой. В качестве рабочего газа использовался аргон. Рабочее давление p составляло 13.3-133 Па, расход газа G = 0-0.2 г-с-1, частота генератора f = 13.56 МГц, потребляемая мощность - от 2 до 18 кВт. Образцы, изготовленные из выбранных материалов, закреплялись в специальных креплениях на карусельных устройствах.
Физико-химические свойства и состав поверхности образцов исследовались с использованием рентгеновского микроанализатора MS-46 (“Cameca”), дифрактометров “ДРОН-2”, "ДРОН-УМ-1", "ДРОН-3", рентгеновского микроанализатора МАР-1. Для более подробного изучения поверхности использовался электронный магнитный спектрометр, который позволяет проводить количественное определение химического состава поверхности в слоях толщиной от моноатомных до 100 ангстре! путем исследования распределения по кинетической энергии фото- и оже-электронов, возбужденных рентгеновским излучени или электронами [4]. Спектрометр позволяет исследовать поверхность тел в интервале электронных спектров от 0.1 до 10 кэЕ погрешностью 0.5 эВ.
Качество обработки оценивалось по оптическим характеристикам поверхности - коэффициенту рассеяния света. Коэффицие рассеяния определялся с помощью лазерной установки измерения рассеяния и пропускания оптических деталей на длинах волн 0.63 и 1.15 мкм.
Степень очистки поверхности определяли также методом нанесения на нее тонкопленочного покрытия. С целью исключения влияния новых факторов, возникающих при нанесении покрытий, на качество обработки использовался метод получения покрытий с помощью ВЧ-плазмы пониженного давления. Адгезионная прочность покрытий определялась методом нормально отрыва.
Воздействие ВЧ-плазмы на структуру стеклянных образцов исследовалось методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) на стандартном радиоспектрометре РЭ-1301 при комнатной температуре. Для обнаружения дефектов, создаваемых плазмой в приповерхностных слоях, стекла облучались гамма-излучением на установке "Кобальт-60" до дозы 106 - 108 Р. Для исследования диэлектрических свойств порошков использовалась СВЧ-система. При этом в резонаторе размещался исходный продукт или продукт, обработанный в плазме, и снималась амплитудно-частотная характеристика резонатора (рис. Сдвиг резонансной частоты резонатора при размещении порошка указывает на изменение еП, а перемена добротности - на изменение tgd^
Наработка алмазированных боров определялась путем сверления оконного стекла толщиной 5 ± 0,3 мм с частотой вращения головок 50000 ±100 об/мин. В результате сверления стекла режущие кромки алмазов тупятся (изнашиваются), и в процессе дальнейшего сверления алмазы выпадают. За отказ работы алмазной головки принимается 50% выкрошенного количества кристаллов алмаза от их первоначального значения.
Литература
И.Ш.Абдуллин, В.С.Желтухин, В.В.Кудино // Физ. и хим. обработки матер. 2003. № 4. С. 45-51.
Левитский С.М // Журн. техн. физ. 1957. Т. 27. Вып. 5. С. 1001-1009.
Boeny H.V. // 1-st Ann. Intern. Conf. Plasma Chem. and Technol. San Diego, Calif. 1982. P. 109-118.
Трапезников В.А., Евстафьев А.В., Сапожников В.П и др. // Физ. металлов и металловедение. 1973. Т. 36, № 3. С. 1293-1305.
У И. Ш. Абдуллин -д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии кожи и меха КГТУВ. С. Желтухин - канд физ.-мат. наук, докторант той же кафедры.
