Спосіб покриття кромок алмазоподібним вуглецем

1 Спосіб утворення плівки алмазоподібного вуглецю на підкладці, який включає такі етапи заповнення простору навколо підкладки середовищем газоподібного вуглеводню, і генерування плазми в зазначеному середовищі з 1П ЩІЛЬНІСТЮ електронів, що перевищує 5 х 10 на см 3 і товщиною оболонки, меншою від 1,7мм, в умовах високої ЩІЛЬНОСТІ потоку ІОНІВ і бомбарду вання іонами керованої низької енергії, при цьому зазначені умови включають іонний струм більший за ЗмА/см2, і напруга зміщення, прикладена до підкладки, знаходиться у діапазоні від -200 до -500 вольт 2 Спосіб за п 1, в якому зазначене середовище містить газ, що вибирають з групи, яка складається з С4Н10, СЬЦ, С2Н2, СбНє і СзНв 3 Спосіб за п 1 або 2, в якому зазначена підкладка являє собою металеву поверхню 4 Спосіб за п 1 або 2, в якому зазначена підкладка являє собою металеву речовину, що має поверхневий шар, який містить матеріал, що вибирають з групи, яка складається з кремнію, карбіду кремнію, ванадію, танталу, нікелю, ніобію, молібдену та їх сплавів Даний винахід належить до галузі ХІМІЧНОГО осадження з парової фази і, зокрема, стосується плазмостимульованого ХІМІЧНОГО осадження з па 5 Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, в якому зазначену плазму генерують за допомогою індуктивного зв'язку 6 Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, в якому зазначену напругу зміщення модулюють імпульсним сигналом 7 Виріб, виготовлений способом за будь-яким з попередніх пунктів, який містить підкладку, що має вугласту поверхню, і плівку алмазоподібного вуглецю на зазначеній поверхні, в якому зазначена плівка має твердість, що перевищує 20ГПа і не має помітних зерен діаметром 3 х 108м(300А) або більше при спостереженні з 50000-кратним збільшенням за допомогою скануючого електронного мікроскопа із холодною емісією 8 Виріб за п 7, в якому зазначена підкладка являє собою металеву речовину, що має поверхневий шар, який містить матеріал, що вибирають з групи, яка складається з кремнію, карбіду кремнію, ванадію, танталу, нікелю, ніобію, молібдену та їх сплавів 9 Виріб за п 7 або 8, в якому зазначений виріб являє собою бритвене лезо 10 Виріб за п 7 або 8, в якому зазначена поверхня є кромкою бритвеного леза 11 Виріб за п 7 або 8, в якому зазначений виріб є деталлю пишучого інструмента 12 Виріб за п 7 або 8, в якому зазначений виріб є пером ручки 13 Виріб за п 7 або 8, в якому зазначений виріб є місцем посадки кульки в пишучому стержні 14 Виріб за п 7 або 8, в якому зазначений виріб є голковим вістрям 15 Виріб за п 7 або 8, в якому зазначений виріб є різальною кромкою 16 Виріб за п15, в якому зазначена різальна кромка знаходиться на різальному краю рової фази високоякісних плівок алмазоподібного вуглецю на частково обмежені поверхні або поверхні з високим ступенем кутастості О ю 59401 Тверді, тонкі плівки пдрогенізованого, аморфного вуглецю(а-С Н), які також називаються плівками алмазоподібного вуглецю(АПВ), можна створювати на металевих поверхнях шляхом плазмостимульованого ХІМІЧНОГО осадження з парової фази(ПСХОП) У відомих процесах ПСХОП, використовуваних для створення таких плівок, 16 3 створюється низька ЩІЛЬНІСТЬ ІОНІВ(-10 М ) У ві домих процесах плазма генерується при більшій товщині оболонки(4 х 10 3-1 0 х 10 2м) яка не повторює малі нерівні поверхні підкладки(-104м) Тому іони, що прискорюються у відомих процесах у напрямку, поперечному до оболонки, одержують прискорення, спрямоване під прямим кутом до макроскопічної поверхні підкладки У таких умовах кутасті поверхні підкладки, наприклад, кромки бритвених лез(які зазвичай збирають у стопку, і при цьому проміжки між краями лез становлять ЮОцм) піддаються взаємодії похилих потоків реактивних ІОНІВ Ці умови, як вважають, зумовлюють самозатінення деяких осаджуючих речовин, приводячи до появи стовпчастих утворень у плівках а-С Н Вважається також, що низька ЩІЛЬНІСТЬ плазми зумовлює відносно низьке іонно-атомарне відношення на поверхні підкладки Осадження в умовах низької поверхневої рухливості адатомів, наприклад, при низьких температурах підкладкиЛ7ТПЛав -ЗОА/м2 і -200В Фіг 5 являє собою мікрофотографію(зроблену при 50000-кратному збільшенні) поперечного перерізу алмазоподібної плівки, осадженої на бритвене лезо шляхом загальноприйнятого плазмостимульованого ХІМІЧНОГО осадження з парової фази з ємнісним зв'язком, Фіг 6 являє собою мікрофотографію(зроблену при 50000-кратному збільшенні) поперечного перерізу алмазоподібної плівки, осадженої на бритвене лезо в ході демонстраційної серії випробувань даного винаходу, Фіг 7 являє собою мікрофотографію(зроблену при 50000-кратному збільшенні) поперечного перерізу алмазоподібної плівки, осадженої на бритвене лезо в ході додаткової демонстраційної серії випробувань даного винаходу, Фіг 8 являє собою мікрофотографію(зроблену при 50000-кратному збільшенні) поперечного пе рерізу алмазоподібної плівки, осадженої на бритвене лезо в ході додаткової демонстраційної серії випробувань даного винаходу, Фіг 9 являє собою мікрофотографію(зроблену при 50000-кратному збільшенні) поперечного перерізу алмазоподібної плівки, осадженої на бритвене лезо в ході додаткової демонстраційної серії випробувань даного винаходу, Фіг 10 являє собою мікрофотографію(зроблену при 50000-кратному збільшенні) збільшеного вигляду в перспективі алмазоподібної плівки, осадженої на бритвене лезо шляхом загальноприйнятого плазмостимульованого ХІМІЧНОГО осадження з парової фази з ємнісним зв'язком, Фіг 11 являє собою мікрофотографію(зроблену при 50000-кратному збільшенні) поперечного перерізу алмазоподібної плівки, осадженої на бритвене лезо шляхом загальноприйнятого плазмостимульованого ХІМІЧНОГО осадження з парової фази з ємнісним зв'язком, Фіг 12 являє собою мікрофотографію(зроблену при 50000-кратному збільшенні) збільшеного вигляду в перспективі алмазоподібної плівки, осадженої на бритвене лезо ВІДПОВІДНО ДО даного винаходу, Фіг 13 являє собою мікрофотографію(зроблену при 50000-кратному збільшенні) поперечного перерізу алмазоподібної плівки, осадженої на бритвене лезо ВІДПОВІДНО до цього винаходу, Фіг 14 являє собою графік, що ілюструє швидкість осадження ВІДПОВІДНО до цього винаходу як функцію потужності ВЧ індукції, Фіг 15А являє собою схему, що ілюструє додатковий варіант реалізації даного винаходу, Фіг 15В являє собою графік, який ілюструє варіант ВЧ зміщення, зображеного на фіг 15А, модульованого імпульсним сигналом, Фіг 16 являє собою графік, який ілюструє залежність твердості від внутрішньої напруги плівки для плівок, на які подається зміщення, модульоване імпульсним сигналом, ВІДПОВІДНО ДО ЦЬОГО ви находу, у порівнянні з графіком для плівок, на які подається зміщення ВІДПОВІДНО ДО закону незатухаючої хвилі, і Фіг 17 являє собою блок - схему алгоритму, яка ілюструє варіант протікання процесу, що здійснює даний винахід Цей винахід передбачає вдосконалення у формуванні плівок алмазоподібного вуглецю на підкладках шляхом плазмостимульованого ХІМІЧНОГО осадження з парової фази ВІДПОВІДНО ДО ЦЬОГО винаходу, дисоціація газоподібного вуглеводню в процесі плазмостимульованого ХІМІЧНОГО осадження з парової фази за умов високої ЩІЛЬНОСТІ потоку ІОНІВ і бомбардування іонами керованої низької енергії забезпечує формування твердої, щільної плівки а-С Н на підкладці при відсутності якихось стовпчастих утворень, характерних для інших відомих процесів, навіть якщо підкладка має незвичайну форму або має гострі кути Винахід включає вплив у себе на підкладку середовища газоподібного вуглеводню і генерування плазми в середовищі з ЩІЛЬНІСТЮ електронів, що перевищує приблизно 5 х 10 1 0 на см 3 і товщиною оболонки, меншою від приблизно 2мм, в умовах високої ЩІЛЬНОСТІ потоку ІОНІВ і бомбардування іонами ке 59401 рованої низької енергії Такі умови можна одержати шляхом незалежного керування ЩІЛЬНІСТЮ потоку ІОНІВ і зміщенням на підкладці з метою максимізувати потік ІОНІВ, але водночас підтримувати помірне зміщення на підкладці Ці умови включають ЩІЛЬНІСТЬ іонного струму^,), що перевищує 2 приблизно 20А/м , і напругу зміщення(-113міщ) У Діапазоні від близько 100 до близько 1000 вольт ВІДПОВІДНО ДО ОДНОГО варіанта реалізації даного винаходу, для створення на кутастій підкладці щільної, твердої плівки а-С Н, що відповідає цьому винаходу, використовується реактор плазмостимульованого ХІМІЧНОГО осадження з парової фази з індуктивним зв'язком Хоча цей винахід ілюструється стосовно до реактора плазмостимульованого ХІМІЧНОГО осадження з парової фази з індуктивним зв'язком, можна також використовувати й ІНШІ процеси генерування плазми, здатні породжувати плазму високої ЩІЛЬНОСТІ На фіг 1 зображений реактор з індуктивним зв'язком, який використовується для здійснення даного винаходу Реактор, зображений на ф і г 1 , включає індукційний плазмовий генератор 10, зв'язаний із вакуумною плазмовою камерою 12, в якій тримач 14 підкладки розміщений у плазмовому полі під кварцовим вікном 11 Звичайно тримач 14 має водяне охолодження Хоча водяне охолодження є більш прийнятним, припускається деяке 8 нагрівання Таким чином, можна також використовувати великий поглинач тепла Плазмовий генератор 10 включає високочастотне(ВЧ) джерело 16, підключене до індукційних котушок 18 через конденсатори 20 Всередині плазмової камери 12 підкладка або заготовки 22(зображені у вигляді бритвених лез, упакованих у стопку) розміщається на тримачі 14 Тримач 14 зв'язаний із високочастотним(ВЧ) (звичайно 13 56МГц) джерелом живлення 24 через коло узгодження імпеданса 26 ВЧ джерело живлення 24 тримача 14 дозволяє регулювати енергію ІОНІВ, ЩО витягаються з плазми і направляються на заготовки 22 Подаваний газоподібний вуглеводень, що підлягає плазмовій дисоціації, надходить у плазмову камеру 12 через газовий впуск 28 Зазвичай газ, який подається, являє собою С4Н10, але можна також використовувати й ІНШІ газоподібні вуглеводні, наприклад, СЬЦ, С2Н2, СбНє, СгНє і/або СзНв Більш прийнятно, заготовки 22 установлюються на 0 05 - 0 15м нижче(під кварцовим вікном 11) і підтримуються при кімнатній температурі за допомогою тримача 14 із водяним охолодженням З використанням вищеописаної апаратури здійснили серії випробувань при різних рівнях потужності індукції плазми і напруги зміщення на підкладці Нижче наведені два приклади осадження на кромках лез, які ілюструють даний винахід Приклад 1 Потужність індукції плазми Напруга зміщення на підкладці Тип газу Витрата газу Тиск Розрахункова ширина оболонки Швидкість осадження на кромках лез Примітки 400Втпри 13 56МГц, викликає іонний струм ЗОА/м^ -300В (ПС) бутан, С4Ню 8,3 х 10 'м7с (за нормальних умов) 0 7Па (плазми немає), 1 6Па (плазма є) 1 240x10 dM 1 7х10 а м/с Невеликі стовпчасті утворення Показник ЩІЛЬНОСТІ = 3 5 Приклад 2 Потужність індукції плазми Напруга зміщення на підкладці Тип газу Витрата газу Тиск Розрахункова ширина оболонки Швидкість осадження на кромках лез Примітки 800Втпри 13 56МГц, викликає іонний струм 60А/м^ -200В(пост, напр) бутан, С4Ню 8,3 х 10 'м7с (за нормальних умов) 0 7Па (плазми немає), 1 6Па (плазма є) 6 50х104м 1 7х10 а м/с Стовпчастих утворень немає Показник ЩІЛЬНОСТІ = 4 0 У цих прикладах згадується "показник ЩІЛЬНОСТІ" ПЛІВОК Цей показник відповідає напівкількісній системі класифікації покриттів кромки леза, ВІДПОВІДНО до якого мікроструктура покриття оцінюється з використанням скануючого електронного мікро скопа з холодною емісією, що дає 50000-кратне збільшення Виходячи з наявності зернистопустотної структури, показник визначається згідно з такою таблицею Таблиця Мікроструктура покриття Сильно стовпчаста, помітно зерниста структура, сильно пориста Чітко спостерігається стовпчатість, дещо менші зерна Деяка стовпчатість і видима зерниста структура Суцільна Показник ЩІЛЬНОСТІ 1,0 2,0 3,0 4,0 59401 Результати вищезазначених прикладів та інших серій випробувань зображені на графіках фіг 2 - 4 Фіг 2 графічно ілюструє ВІДПОВІДНІ аспекти даного винаходу щодо іонного струму/потужності ВЧ індукції, середньої напруги зміщення на підкладці і товщини оболонки На фігурі також зображена область, що відповідає більш прийнятному варіанту реалізації цього винаходу 3 фігури видно, що розмір іонного струму впливає на стовпчасті утворення в плівках Більш низькі значення іонного струму приводять до збільшення стовпчастих утворень у плівках Більш високі значення іонного струму зумовлюють меншу стовпчасту мікроструктуру Хоча з фігури це не цілком очевидно, широкі плазмові оболонки можуть спричинювати збільшені стовпчасті мікроструктури З фіг 2 також випливає, що середнє зміщення підкладки впливає на твердість плівок При більш низьких середніх значеннях зміщення на підкладці плівки виявляються відносно м'якими В міру зростання середніх значень зміщення зростає і твердість плівок Однак надмірно високі зміщення на підкладці приводять до ушкодження плівок і знижують твердість плівки внаслідок графітизації Фіг 2 також демонструє, що товщина оболонки змінюється як функція ЩІЛЬНОСТІ іонного струму і зміщення на підкладці Як випливає з фіг 2, товПотужність індукції плазми Напруга зміщення на підкладці Тип газу Витрата газу Тиск Розрахункова ширина оболонки Швидкість осадження При хімічному осадженні з парової фази з ємнісним зв'язком, іонний струм малий(приблизно ЗА/м2), а оболонка широка На кромках лез спостерігаються стовпчасті плівки Фіг 3 демонструє, що твердість генерованих плівок змінюється як функція потужності ВЧ індукції і середньої напруги зміщення на підкладці(тобто середньої енергії ІОНІВ на заготовці) З фіг 3 видно, що при збільшенні зміщення на підкладці і потужності ВЧ індукції зростає твердість плівки Знову ж, надмірно високе зміщення на підкладці викликає зниження твердості плівки внаслідок графітизації Фіг 4, на якій показана твердість створеної пліТермін випробувань Потужність індукції (Вт) Зміщен ня (В) 1 0 -200 2 120 -200 3 250 -200 4 500 -200 5 800 -200 Усі серії випробувань виконані при тиску С4НюПа Результати цих серій випробувань зображені на мікрофотографіях, ВІДПОВІДНО, фіг 5 - 9, кожна з який зроблена при 50000-кратному збільшенні на скануючому електронному мікроскопі з холодною емісією(СЕМ) У покриттях, зображених на фіг 5 і 10 щина плазмової оболонки зростає в міру збільшення зміщення на підкладці Таким чином, у міру збільшення зміщення на підкладці конформність плазми відносно до підкладки зменшується Умови, при яких виявляються переваги даного винаходу, включають іонний струмЦ), що переви2 щує приблизно 20А/м і середнє зміщення на підкладці(-ІІзміщ) У діапазоні від близько -100 до близько -1000 вольт Умови, які породжують даний більш прийнятний варіант реалізацм(які зображені на фіг 2 у вигляді великої виділеної області, позначеної "БІЛЬШ ПРИЙНЯТНІ"), включають іонний струмШ, більший або який дорівнює приблизно ЗОА/м , середнє зміщення на підкладці(-ІІзміщ) У діапазоні від близько -200 до близько -500 вольт і товщину оболонки, меншу або дорівнюючу приблизно 1 7мм(для кромок лез, упакованих у стопку) Для порівняння, розташована справа внизу, виділена область фіг 2(позначена "Загальноприйнятий АПВ") окреслює умови і характеристики, пов'язані з ХІМІЧНИМ осадженням із парової фази з низькою ЩІЛЬНІСТЮ і ємнісним зв'язком Варіант подібних умов загальноприйнятого процесу(ВЧ живлення подається на електрод підкладки) виглядає так ОВт -200В (ПС) викликає 3 4А/м^ бутан, С4Ню 8,3 х 10 'м7с (за нормальних умов) 0 7Па (плазми немає), 0 9Па (плазма є) 3 630x1 0dM 1 7x10 шм/с вки як функція середнього зміщення на підкладці при потужності ВЧ індукції, яка дорівнює 200 800Вт, демонструє, що при помірному середньому зміщенні на підкладці(наприклад, від близько -200 до близько -500В) утворюються плівки найвищої твердості Суцільна ЛІНІЯ на фіг 4 найкраще відповідає розташуванню точок даних Пунктирні лінії відповідають межам 95%-ного відхилення від найкращої ВІДПОВІДНОСТІ Наведені нижче додаткові варіанти ПСХОП на кромки лез демонструють вплив змін потужності індукцм/юнного струму на ширину оболонки і стовпчасті утворення Всі умови були постійними за винятком потужності індукцм/юнного струму Потік ІОНІВ(А/М^)