TEHNOLOGII MODERNE PT. STRATURI PROTECTOARE, prof.dr.ing. Georgeta IONASCU, Dpt. Mecatronica si Mecanica de Precizie

Transcript

1 TEHNOLOGII MODERNE PT. STRATURI PROTECTOARE, prof.dr.ing. Georgeta IONASCU, Dpt. Mecatronica si Mecanica de Precizie Acoperire / Material Acoperiri protectoare si decorative Acoperiri obtinute prin aplicarea materialului de depunere pe suprafata piesei / modificarea materialului piesei in strat superficial Rezistenta la uzura si temperatura inalta Duritate / Rezistenta mecanica Rezistenta la coroziune Rezistenta la impact (lovire, soc) Comportare tribologica (straturi cu coef. redus de frecare, straturi lubrifiante) Comportare optica, protectie la radiatii Aspect decorativ / estetic Compatibilitate interfete / asamblare, packaging Grosimea acoperirii (straturi subtiri si groase, acoperiri monostrat, sisteme multistrat de acoperiri multifunctionale) Definirea configuratiilor geometrice pentru straturi micro si nanostructurate Aderenta Coeziunea (continuitate) Porozitate Tensiuni reziduale Corelarea proprietatilor cu structura Metode de testare, verificarea si masurarea proprietatilor acoperirilor protectoare Proces de depunere Procese fizice si chimice, de depunere atomica, pentru straturi (ultra)subtiri; procese de depunere mecanice, termice sau prin pulverizare, pentru straturi groase Natura procesului, fenomene implicate, materialul de depunere (depuneri metalice, pelicule anorganice, pelicule organice lacuri si vopsele, straturi de silicati uri) Materialul si forma piesei Dimensiunile piesei Pregatirea suprafetei piesei Viteza de depunere Alte caracteristici ale procesului de depunere pentru controlul activ al acoperirilor (grosime, proprietati) Temperatura de depunere Costuri Consideratii ecologice Metode si tehnici non-contact, non/microinvazive, cu raspuns in timp real de investigare a artefactelor & Accesul on-line la infrastructura pentru restaurare-conservare: - Metode si tehnici de restaurare; - Metode si tehnici de investigare si diagnosticare; - Metode si tehnici de evaluare a starii de conservare; - Metode si tehnici de monitorizare; - Accesul on-line la infrastructura ( in laboratoare si pe santiere de restaurare) Acoperiri rezistente la uzura si temperatura inalta Necesitatea acoperirilor rezistente la uzura (antifrictiune) si temperatura inalta (antirefractare) traverseaza atat industria optica, cat si cea mecanica. Acoperirilor, care trebuie sa prezinte duritate mecanica mare, li se cere adesea, simultan, si rezistenta la temperatura inalta si coroziune. Aplicatiile acoperirilor tribologice includ sculele aschietoare de inalta viteza, straturile bariera antirefractare si anticorozive de pe piesele motoarelor, cum sunt peretii camerei de ardere, paletele turbinelor, captuseala conductei de evacuare etc. Stiinta si tehnologia depunerii acoperirilor dure implica nu numai alegerea adecvata a materialului de acoperire, ci si controlul interactiunilor chimice, mecanice si termice acoperire (strat) substrat. Aderenta, deformatiile interfetei, tensiunile interne, ductilitatea si rezistenta stratului subtire sunt doar o parte dintre parametrii importanti studiati. In final, interactiunea cu mediul, inclusiv contactul cu suprafetele abrazive, unde coeficientul de frecare de alunecare este 1

2 important, trebuie sa fie considerate. Grosimi de strat de 2 la 10 µm si tehnici de depunere cu viteze mari trebuie sa fie utilizate. Materiale pentru acoperiri dure Materialele pentru aplicatii de uzura abraziva si inalta temperatura se clasifica in 3 grupe, in functie de caracterul legaturilor lor chimice: oxizi ai metalelor de tranzitie, boruri/carburi/nitruri ale metalelor de tranzitie si acoperiri covalente. Tehnologiile curente utilizeaza structuri multistrat, in care straturile subtiri ale materialelor covalente sunt straturi intermediare intre substratul metalic si celelalte straturi dure, cum sunt AlN, BN etc. Peste 13 straturi alternante sunt utilizate, obtinandu-se o duritate a compozitului de cca HV. A. Transition Metal Oxides Oxizi ai metalelor de tranzitie Coating - Acoperirea Proprietati ale materialelor pentru acoperiri dure Hardness - Microduritatea Vickers (HV) TCE - Coef. de dilatare termica 10-6 / C Melting/Decompos. - Temp. de topire ( C) Al 2 O Al 2 TiO BeO HfO MgO Nb 2 O 5 > TiO Y 2 O 3 ~ ZrO B. Transition Metal Borides/Carbides/Nitrides Boruri/Carburi/Nitruri ale metalelor de tranzitie Coating - Acoperirea Hardness - Microduritatea Vickers (HV) TCE - Coef. de dilatare termica 10-6 / C Melting/Decompos. - Temp. de topire ( C) LaB LaB TiB W 2 B HfC

3 TaC 1500± TiC VC WC 2200± ZrC TiN ZrN C. Covalent Coatings Acoperiri covalente Coating - Acoperirea Hardness - Microduritatea Vickers (HV) TCE - Coef. de dilatare termica 10-6 / C Melting/Decompos. - Temp. de topire ( C) B 4 C BN (cubic) C (diamond) ~1000 SiC Si 3 N Strat subtire: o zona din apropierea suprafetei substratului ale carei proprietati, controlate prin grosime si structura, sunt diferite de cele ale materialului masiv. Grosimile tipice: cateva zeci, sute de Å 1 µm (max. 5 µm, cand se ating proprietatile optice, electrice, magnetice etc. ale materialului masiv) Tehnologie moleculara. Alegerea unei anumite metode depinde de: cerintele pentru proprietatile stratului subtire, temperatura maxima pe care o poate suporta substratul si compatibilitatea procedeului cu procesele aplicate substratului inainte si dupa depunere. Definirea ca strat subtire sau strat gros al aceluiasi material, de grosime similara, se poate face si in functie de utilizare: straturile de Cu, cu grosimi de 5-200µm, depuse chimic si electrochimic pe substrat dielectric (sticlotextolit sau material ceramic alumina) pt. realizarea electrozilor si traseelor de metalizare din componenta circuitelor electrice / electronice pot fi considerate straturi subtiri, in timp ce acoperirile galvanice din acelasi material, cu grosimi de µm, pe suport de otel, utilizate ca strat intermediar de aderenta pt. acoperirile de Ni Cr (dur) decorative sau rezistente la uzura si coroziune, pot fi considerate straturi groase. Deosebirile dintre straturile subtiri si cele groase nu se refera in mod special la diferenta de grosime, cat mai ales la metodele de depunere si tehnicile de fabricare a (micro)structurilor ulterioare depunerii. Din acest punct de vedere, straturile groase sunt materiale conductoare, rezistive sau dielectrice, cu grosimi > 5-10µm, care se obtin prin arderea controlata a unor paste depuse pe un substrat, in configuratia dorita, prin imprimare serigrafica. Proprietatile 3

4 mecanice si electrice ale straturilor groase sunt, in general, putin sensibile fata de substrat in comparatie, de ex., cu straturile subtiri depuse din stare de vapori / solutie prin metode fizice sau chimice. Aceasta se datoreaza, in principal, proceselor de imprimare si ardere folosite la realizarea straturilor groase. De interes pot fi si straturile groase din polimeri organici, emulsii si paste, depuse mecanic (imprimare serigrafica, centrifugare, turnare, laminare), termic (extrudarea sau turnarea materialului topit) sau prin pulverizare (mecanica, electrostatica). Metodele de depunere a straturilor subtiri se pot clasifica in functie de mediul de formare: -metode fizice de depunere in vid si in plasma (evaporare termica in vid, pulverizare catodica si in plasma, placare ionica); -metode chimice de depunere din solutii (depunere galvanica, oxidare anodica, depunere autocatalitica fara curent); -metode chimice de depunere din vapori (oxidare termica, difuzie termica pentru dopare controlata / alternativa la procedeul fizic de implantare ionica, crestere epitaxiala). Clasificarea metodelor de depunere in functie de mediul de formare a stratului subtire (procese de depunere atomica) 4

5 5

6 Evaporare termica in vid: 1 - incinta vidata ( ), 2 - suport substrat (cu sau fara incalzire), 3 - sursa de evaporare (E - evaporant), 4 - electrozi de cupru, 5 - obturator, 6 - cuptor pt. degazare, 7 - electrozi pt. descarcare electrica la inalta tensiune, 8 - dispozitiv pt. controlul activ al grosimii stratului (de ex., rezonator de cuart), P - substrat, M - masca. Suportul pieselor (substraturilor): plan (a), calota sferica (b), calota piramidala cu pereti inclinabili la unghiul α (c); piesa in montura pe suport (d). Surse de evaporare cu incalzire rezistiva - filament (1, 2 ), nacela (3 ), cuptorase (4, 5 ) - din metale greu fuzibile (W, Ta, Mo); creuzet ceramic (6 ). 6

7 Sursa de evaporare cu incalzire cu fascicul de electroni (7 ): 1 - creuzet racit, 2 - filament, 3 - anod, 4 - bobina de deflexie. Avantaje: cea mai raspandita dintre metodele fizice datorita universalitatii; viteze mari de depunere (cca. 1µm/min); posibilitatea realizarii unor retete de depunere riguros controlate si a verificarii precise a caracteristicilor stratului depus (grosimea, coef. reflexie / transmisie etc.) in timpul procesului de executie. Dezavantaje: temperatura max. de evaporare ~2000 C; din cauza riscului descompunerii in timpul evaporarii, pt. aliaje si substante compuse trebuie folosite metode speciale de evaporare (evap. din surse separate, metoda evaporarilor succesive, metoda celor trei temperaturi, evap. flash sau evap. cu fascicul laser in impulsuri, evap. cu incalzire prin inductie de inalta frecventa, evap. reactiva. 7

8 Materiale utilizate pentru acoperirile pieselor optice 8

9 Evaporare reactiva activata: carburi, carbonitruri, nitruri, oxizi, sulfuri, materiale fotoelectrice, materiale optoelectronice pentru acoperiri rezistente la uzura si coroziune (inclusiv bio-compatibile), acoperiri protectoare dure ale pieselor optice pentru aplicatii din infrarosu si acoperiri decorative Materials Hardness (HV) Color Titanium carbonitride (carbonitrura de titan) 4000 silver Titanium aluminum nitride 2600 brown (nitrura de Ti-Al) Titanium nitride (nitrura de titan) 2900 gold Chromium nitride (nitrura de crom) 2500 silver Zirconium nitride (nitrura de zirconiu) 2800 gold Amorphous DLC (carbon amorf, similar diamantului) black 9

10 Metoda PLD (Pulsed Laser Deposition) Depunere prin evaporare cu laser in impulsuri Absorbtia radiatiei laser este urmata de ruperea legaturilor chimice din materialul tintei ( target materialul de depunere) si ablatia de atomi, ioni, electroni, molecule, clustere (aglomerari) de atomi si chiar particule mai mari (~µm), provenind din faptul ca densitatea energiei laser depaseste pragul de ablatie al materialului tintei. Toate aceste specii evapoarate formeaza un nor de plasma care se extinde in vid si se deplaseaza spre substrat unde are loc depunerea. Instalatia poate fi echipata cu elemente care maresc versatilitatea procesului de depunere: varianta reactiva a depunerii (in prezenta unui gaz de reactie) si incalzirea substratului in timpul depunerii. Formarea filmului incepe cu monostraturi complete, dar dupa 1-5 monostraturi cresterea continua cu formarea de insule. Acest comportament se datoreaza tensiunilor din retea, care sunt mai mari pe suprafata monostraturilor depuse, decat pe substratul gol. Defectele structurale de la suprafata unui substrat afecteaza omogenitatea nucleatiei. Parametrii reglati, de ex.: durata unui impuls (30 ns), distanta tinta-substrat (3-7 cm), aria de scanare a tintei (~1 cm 2 ); tinte de compusi sau din materiale elementare (numarul de impulsuri se regleaza astfel incat sa se obtina monostraturi sau grosimi mai mici ale fiecarui element). Energia cinetica a particulelor depuse poate fi variata de la energii medii de ~50 ev 150 ev, crescand fluenta laserului de la ~2 10 J/cm 2. Aceasta poate sa produca doar modificari usoare ale proprietatilor stratului subtire. O influenta mult mai puternica asupra proprietatilor are loc atunci cand energia particulelor este redusa prin presiunea unui gaz inert (Ar) la sub 1 ev. Avantaje: toate materialele pot fi obtinute prin aceasta metoda; transfer stoichiometric intre tinta si substrat, posibilitatea lucrului in vid ultrainalt (UHV) ~10-9 torr, ca si in atmosfera unui gaz reactiv sau inert; energia cinetica inalta a ionilor depusi (>100eV) permite obtinerea de noi sisteme / materiale (sisteme binare suprasaturate, materiale nanocrastaline, aliaje metastabile); utilizarea presiunii unui gaz inert face metoda versatila prin reglarea energiei particulelor depuse; reglarea texturii (structurii), a tensiunilor si rugozitatii la interfata; posibilitatea schimbarii suplimentare a caracteristicilor laserului (lungime de unda, durata si frecventa impulsurilor, fluenta (densitatea de putere), distanta tinta-substrat, conditii de depunere temperatura si orientarea substratului relativ la fluxul de material depus); posibilitatea depunerii pe materiale sensibile la caldura ( ºC). 10

11 Lungimi de unda ale laserilor excimer Aspecte ale nucleatiei si cresterii unui strat intr-un proces de depunere atomica 11

12 Materiale depuse prin metoda PLD Policarbonat cu graunti de Ag nanocristalin (imagine TEM) 12

13 Metoda fotometrica: variatia teoretica a reflexiei si transmisiei unui strat subtire dielectric neabsorbant in functie de grosimea optica raportata la lungimea de unda; n o = indicele de refractie al substratului, n 1 = indicele de refractie al stratului depus, n 2 = indicele de refractie al mediului inconjurator (in vid, n 2 = 1) 13

14 Metoda cuartului rezonant: 1 dispozitiv de masurare cu cuart, 2 brat glisant (modifica inaltimea H), 3 tija, 4 sursa de evaporare, 5 montura electrodului de Cu inferior, 6 lama de cuart metalizata, 7 carcasa izolatoare, 8 electrod de Cu superior, 9 arc elicoidal de compresiune pt. contactul eficace dintre elementele conductive. Circuitul electronic al unui oscilator cu tranzistor, acordat pe frecventa de rezonanta initiala a placutei de cuart (~ 5 MHZ). Semnalul de iesire este transmis unui frecventmetru cu 7 cifre semnificative pt. a putea citi variatii de 1 Hz ale frecventelor de ordinul MHz (3 4 Å grosimea minima a stratului depus). 14

15 Intervalul de sarcina al testului amprentei de duritate Duritatea implica rezistenta la deformare plastica. Metodele folosite presupun formarea unei amprente permanente (plastice) pe suprafata materialului de examinat, gradul de duritate (kgf/mm²) fiind exprimat prin raportul dintre sarcina normala de apasare si aria suprafetei urmei (duritate Brinell, Rockwell, Vickers) sau aria proiectiei amprentei pe un plan perpendicular pe directia sarcinii (duritate Knoop si Berkovitch). La straturi subtiri trebuie eliminata influenta materialului substratului. Este, de aceea, acceptat ca adancimea amprentei nu trebuie sa depaseasca 10-20% din grosimea stratului. Sarcina minima pt. cele mai multe aparate este de aprox. 10 mn (1 gf) si poate produce o adancime a amprentei de cateva zecimi de µm, depasind 10-20% din grosimea unui strat de 1 µm sau mai putin. De aceea, sunt de dorit sarcini de ordinul 50 µm 1 mn (5 100 mgf), daca adancimile amprentei trebuie sa fie submicrometrice. Forme ale penetratoarelor Vickers (a) si Knoop (b) HV = F/(hp)²; HK = F/(hp)²; HV = F/l²; HK = F/l²; F sarcina normala de apasare; hp adancimea amprentei; l lungimea diagonalei amprentei. 15

16 Compararea adancimii de penetrare si lungimii diagonalei pentru penetratoarele Vickers (V), Knoop (K) si Berkovitch (B): - adancimea de penetrare pentru un penetrator Knoop, o proba si sarcina date, este de 1.58 ori mai mica decat cea pentru un penetrator Vickers sau Berkovitch pt. masuratorile de duritate a straturilor f. subtiri, care necesita o penetrare de mica adancime, este preferat penetratorul Knoop; - adancimea de penetrare a penetratorului Knoop, pentru o lungime de diagonala data, este de 4.36 ori mai mica decat cea a penetratorului Vickers pt. masuratorile de duritate a straturilor subtiri cu aparate care masoara lungimea diagonalei amprentei, din nou penetratorul Knoop este preferat. 16

17 Pulverizare catodica: (sistem dioda, bazat pe o descarcare luminoasa autointretinuta): 1 catod, 2 tinta (materialul de depunere), 3 obturator, 4 substrat, 5 anod, 6 dispozitiv de incalzire a substratului, 7 iesire spre pompele de vid, 8 gaz de lucru (argon sau argon + un gaz reactive fata de materialul substratului). 17

18 Avantaje: -procedeu utilizat pt. depunerea straturilor magnetice, realizarea peliculelor criogenice, depunerea materialelor greu fuzibile; -depunerea aliajelor si a substantelor compuse; -uniformitate de grosime f. buna a stratului depus, datorita geometriei plan-paralele. Acoperirea substraturilor cu neregularitati, mai ales daca acestea sunt polarizate cu potential negativ ( V); -aderenta mare a stratului depus, datorita curatirii substraturilor prin bombardament ionic. Dezavantaje: -viteza mica de depunere ( µm/min); -instalatii scumpe; -material de depunere disponibil sub forma de placi. Pulverizare in plasma (sistem trioda, bazat pe o descarcare luminoasa intretinuta termoionic): 1, 2 electrozi pt. descarcare electrica la inalta tensiune; 3 obturator; 4 electrod cu tinte (mat. de depunere); 5 electrod cu substratul; 6 dispozitiv de incalzire a substratului. Avantaje: -presiunea in incinta de 100 ori mai mica decat la pulverizarea catodica obisnuita straturi curate, fara incluziuni de gaze; -viteza ionilor incidenti de ori mai mare curatire f. eficienta a substratului; -folosind mai multe tinte, pot fi obtinute straturi ale substantelor compuse prin pulverizarea simultana a componentelor sau multistraturi ale substantelor elementare pulverizate succesiv, viteza de pulverizare a fiecareia fiind riguros controlata prin reglarea tensiunilor negative aplicate pe tinte. Dezavantaje: -viteza mica de depunere ( µm/min); -instalatii f. scumpe; -material de depunere disponibil sub forma de placi. 18

19 Pulverizare catodica cu magnetron: -magneti permanenti sau electromagneti incorporati in catod, generatori ai unui camp magnetic perpendicular pe campul electric in apropierea catodului; -creste eficienta de ionizare a electronilor, si prin aceasta creste rata (viteza) de pulverizare de 5 10 ori fata de valoarea sa din sistemele conventionale de tip dioda, in conditiile unei temperaturi scazute a substratului in timpul depunerii; -datorita intensificarii mari a descarcarii electrice, sunt obtinute proprietati remarcabile: lucrul la presiuni mai coborate, viteze mari de depunere (0.5 1 µm/min pt. aluminiu si aliajele sale), curatarea tintei de impuritati prin efect de arc; -posibilitatea depunerii materialelor cu afinitate mare fata de oxigen (Al, Cu, Ti), temperatura mai scazuta a substratului si minimizarea continutului de impuritati si defecte structurale. Sistem de pulverizare catodica cu magnetron planar: 1-substraturi, 2-atomi pulverizati, 3- anod, 4-electroni, 5-catod tinta (materialul de depunere), 6-linii de forta ale campului magnetic, 7-ioni de argon (ioni pozitivi ai gazului de lucru). Ferestre de conservare a energiei: a pe timp de iarna; b pe timp de vara; 1 sticla; 2 acoperire reflectanta calda / strat conductiv transparent (SnO2, In2O3, In2O3:Sn). Energia solara: vizibil (VIS), infrarosu apropiat (NIR), infrarosu (IR). 19

20 Placare ionica cu sursa evaporata cu fascicul de electroni in plasma RF: 1 incinta vidata, 2 suportul substratului (catod racit cu apa), 3 substrat, 4 sursa de evaporare, 5 tun electronic, 6 alimentare in RF, 7 sistem de adaptare RF, 8 obturator, 9 descarcare luminiscenta in RF, 10 iesire spre pompa de vid, gaz de lucru (argon sau argon + un gaz reactiv fata de materialul substratului). Depunere galvanica: 1 celula de electroliza; 2 electrolit; 3 anod; 4 catod (substratul); 5 sursa de curent. Factorii care controleaza viteza de depunere si proprietatile str. depus (structura, uniformitate): concentratia si natura ionilor metalici, potentialul la echilibru intre catod si solutie, densitatea de curent dependenta de forma si pozitia electrozilor, temperatura si agitarea solutiei, ph-ul, viscozitatea si tensiunea superficiala a solutiei. 20

21 Metoda de obtinere a straturilor subtiri metalice sub actiunea curentului electric, bazata pe reducerea ionilor metalici la catod (piesa sau substratul) cu ajutorul electronilor introdusi din exterior prin circuitul electric. Avantaje: -viteza de depunere relativ mare ( µm/min); -substratul poate avea configuratii variate si complexe; -instalatii simple si ieftine; -de ex., straturile obtinute (Cu, Ni) se folosesc pt. micsorarea rezistivitatii electrice si imbunatatirea rezistentei la uzura. Dezavantaje: -pot fi depuse numai metale; -necesita substrat conductiv. Depunere autocatalitica fara curent electric: 1-baie, 2-solutie de placare, 3-substrat avand o suprafata catalitica imersata in baie, 4-suport substrat, 5-incalzitor. Metoda de formare continua de straturi metalice prin reducere chimica intr-o solutie de placare, fara folosirea unei surse exterioare de curent electric. Componentele principale ale baii: -sarea metalica, care asigura ionii metalici necesari depunerii; -agentul reducator, care asigura capacitatea de reducere a baii. Avantaje: -nu utilizeaza curentul electric se pot face depuneri pe substrat dielectric (sticla, polimer, ceramica), dar si pe substrat semiconductor si metalic; -se asigura o uniformitate f. buna a grosimii stratului depus, independenta de dimensiunile si forma substratului; -sunt posibile depuneri selective, cand numai anumite suprafete actioneaza drept catalizator. Dezavantaje: -se aplica unui nr. limitat de metale si aliaje; -viteza de depunere ~ 0.1 µm/min. Metodele CVD (Chemical Vapor Deposition) presupun formarea unui strat stabil pe un substrat prin reactia componentelor chimice in starea gazoasa, utilizand o energie de activare. O instalatie de depunere este alcatuita, in principal, din: -surse de gaze, lichide volatile sau solide sublimabile, -un sistem de distributie si amestecare a gazelor, -camera de reactie, 21

22 -un sistem pentru furnizarea energiei de activare a reactiei si pentru incalzirea substraturilor, -un sistem de neutralizare a gazelor reziduale. Avantaje: straturi uniforme, reproductibile si aderente, ale tuturor categoriilor de materiale, fara defecte si impuritati, la viteze de depunere relativ ridicate. Dezavantaje: temperaturi de proces ridicate, pericole cauzate de gaze (toxice, explozibile, inflamabile sau corozive). Oxidare termica: 1-tub de cuart, 2-rezistenta de putere, 3-plachete de siliciu (substraturi), 4-nacela de cuart, 5-gaze de proces, 6-sistem de distributie, 7-hota cu flux laminar ( camera alba cu clasa de desprafuire 100 continut max. de 100 particule cu dimensiuni > 0.5µm/~3500m³ si max. 10 particule cu dimensiuni > 1.5µm/~3500m³ ), 8-capac de cuart pt. incarcarea/descarcarea nacelei si racirea plachetelor in atmosfera controlata Oxidarea termica reprezinta un proces CVD la presiune normala, cu participarea substratului, avand ca scop crearea la suprafata plachetei de siliciu a unui strat de oxid (SiO 2 ). Depunerea se realizeaza prin incalzirea plachetei 1100 C, in prezenta oxigenului, grosimea stratului de oxid putand varia in functie de timpul de mentinere si oxigenul folosit (uscat, umed cu vapori de apa sau abur flux de vapori). Stratul de oxid de siliciu poate fi folosit ca: strat de structurare; material de mascare (pt. corodari, difuzii, implantari); strat dielectric, de pasivare; strat de sacrificiu (cand este dopat cu fosfor). Reactor de joasa presiune cu perete cald (LPCVD): 1-pompa de vid, 2-ventil de aerisire, 3-supapa de vid, 4-capcana, 5-tub flexibil absorbant de vibratii, 6-tub de cuart, 7-substraturi (plachete), 8-nacela de cuart, 9-cuptor cu 3 zone cu incalzire rezistiva, 10-unitate de control al temperaturii, 11-senzor de presiune, 12-usa de incarcare substraturi, 13-conducte de alimentare cu gaze, 14-sistem de control al gazelor de proces. 22

23 Comparativ cu straturile de SiO 2 crescute termic la suprafata siliciului (oxidare termica, la presiune normala), cele depuse chimic din stare de vapori la presiune joasa ( Low Pressure CVD ) prezinta cateva avantaje importante: posibilitatea obtinerii unor grosimi mai mari, la temperaturi mai joase, in timpi mai scurti, fara consumarea substratului de siliciu si fara afectarea semnificativa a distributiei impuritatilor de la suprafata acestuia ca in cazul oxidarii termice, precum si posibilitatea formarii lor peste alte materiale decat siliciul, ca de ex. Si3N4 sau metale. Difuzia controlata a impuritatilor: 1-tub de cuart, 2-cuptor de incalzire (vaporizare) a sursei cu impuritati, 3-sursa cu impuritati, 4-cuptor de incalzire a substratului (~ 1300 C), 5-placheta de siliciu. Difuzia termica este un proces CVD la presiune scazuta, pentru modificarea conductiei plachetei de baza, la temperatura inalta, prin dopare cu atomi de impuritate care substituie atomii cristalului de siliciu in unele noduri ale retelei cristaline, conferindu-i proprietatile electrice dorite. Pt. conductie de tip n se folosesc impuritati donoare de electroni liberi (As, Sb, P), iar pt. conductie de tip p se folosesc impuritati acceptoare de electroni liberi (B, In, Al). Distributia de impuritati (variatia logaritmului natural al concentratiei de impuritati cu adancimea de patrundere) pentru: difuzie (a) si implantare ionica (b) 23

24 Schema unei instalatii pentru implantare ionica Implantarea ionica este un procedeu fizic, realizat in vid inalt, de impurificare controlata a unui substrat (material masiv) sau strat subtire prin bombardarea suprafetei cu un fascicul de ioni a caror energie poate ajunge la mai multe sute de kev. Avantaje: -are loc la temp. camerei; -asigura un control riguros al concentratiei si adancimii de patrundere a impuritatilor, rezultand straturi impurificate foarte superficiale, cu o imprastiere laterala redusa, relativa la marginile mastii; -permite utilizarea unei game largi de materiale pentru masca de protectie (FR, SiO2, Si3N4 etc.). Dezavantaje: -echipament f. complex; -deteriorarea retelei cristaline a substratului, ceea ce impune efectuarea unui tratament termic ulterior de refacere a structurii. Crestere epitaxiala (proces CVD la presiune scazuta de adaugare a unui strat de material cu aceeasi structura si orientare cristalina ca si cristalul de baza (placheta de siliciu): 1-substrat (placheta de siliciu); 2-cuptor de incalzire prin inductie de inalta frecventa ( 1200 C); 3-tub de cuart racit in exterior printr-un sistem de racire. 24

25 Oxidare Fotogravare strat de oxid Difuzie controlata de impuritati Dezoxidare Crestere epitaxiala 25

26 Domenii de aplicatii ale acoperirilor obtinute prin procese PVD (Physical Vapor Deposition - depunere fizica din vapori) Acoperiri decorative Articole de plastic: art. casnice, art. sanitare, art. de iluminat, jucarii Produse ceramice si de sticla Articole de metal Bijuterii Acoperiri functionale Straturi antifrictiune si antiuzura Straturi rezistente la zgariere Straturi bariera sau de pasivare Str. reflectante de lumina VIS, UV, IR Retele de lumina Str. reflectante de caldura Sticla arhitecturala Str. de ecranare electromagnetica si descarcare a sarcinilor electrostatice Str. optice, oglinzi, filtre, antireflex Str. functionale pt. electronica, microelectronica si tehnologia microsistemelor Caracteristici ce trebuie luate in considerare la metalizarea in vid a materialelor plastice: Rezistenta termica Degazarea Aderenta dintre mat. plastic si metal Timpul de influentare si conditiile de depozitare Rezistenta termica de scurta durata a materialelor plastice 26

27 Pt. a imbunatati aderenta, suprafetele materialelor plastice sunt tratate printr-un proces in plasma: descarcare in plasma de joasa presiune, descarcare Corona sau tratament in flacara. Acesta modifica proprietatile si asperizeaza chimic suprafata: mareste tensiunile superficiale interfaciale si creste aderenta. Timpii indelungati de depozitare (influenta conditiilor atmosferice si a altor contaminanti) reduce in mod esential activitatea suprafetei care exista imediat dupa turnarea prin injectie, urmare a incalzirii. Acoperirea dupa doar o zi de la turnare este avantajoasa din punctul de vedere al rezistentei la aderenta. Se presupune ca fortele de coeziune din solidele omogene sunt, totodata, responsabile si de obtinerea aderentei la suprafata de separatie dintre doua faze solide. La scara interatomica sau intermoleculara, exista atat legaturi fizice (provenite din fortele Van der Waals), cat si legaturi chimice (provenite din fortele de valenta). Chiar in conditiile in care legaturile interatomice sunt slabe, aderenta poate sa fie buna datorita unor legaturi macroscopice puternice la interfata, realizate prin blocare (ancorare) mecanica, sub actiunea fortelor electrostatice sau prin interdifuzie controlata. Aderenta prin blocare mecanica Stratul electric dublu la interfata strat metalic (donor de electroni) substrat de polimer (acceptor de electroni) 27

28 Instalatie industriala de depunere prin evaporare in vid: DK suport rotativ al substraturilor, G electrod pt. descarcare luminiscenta, Q sursa de vapori, V valva (robinet), MF (capcana Meissner), B sistem de acoperire oscilant, operating cabinet subans. de operare, vacuum chamber incinta vidata de depunere, cooling unit unitatea de racire, pumping unit unitatea de pompare, diffusion pump pompa de difuzie (de vid inalt), Roots pump, vane-type rotary pump pompe de vid mecanice (de vid preliminar): pompa Roots si pompa rotativa cu palete in rotor, etansata cu ulei Acoperire metalica decorativa cu initiator ( primer ) si strat protector de lac transparent Acoperire metalica pentru ecranare electromagnetica: transmitter (sursa), layer (strat de ecranare), receiver (loc de masurare) 28

29 Materiale (Ag, Cu, Au, Al, Ni, Ni-Cr), rezistivitate si grosimi de strat Bibliografie G. Ionascu, Utilizarea tehnologiilor cu structuri de straturi subtiri in Mecanica fina si Mecatronica, Ed. Printech, Buc., S. Antonescu, G. Ionascu, A. Pircalaboiu, Tehnologia structurilor micromecanice, Ed. Tehnica, Buc., Hans-Ulrich Krebs et al., Pulsed Laser Deposition (PLD) - a Versatile Thin Film Technique, Adv. Solid State Phys. 43 (2003) 505. F. Schlenkrich, S. Seyffarth, B. Fuchs, H.U. Krebs, Pulsed laser deposition of polymer-metal nanocomposites, Appl. Surf. Sci. 257 (2011) Fundamentals of vapor deposition technology, M. Friz, F. Waibel, Coating Materials, Optical Interference Coatings, N. Kaiser and H. K. Pulker, ed. (Springer, 2003), pp S. PalDey, S.C. Deevi, Single layer and multilayer wear resistant coatings of (Ti,Al)N: a review, Materials Science and Engineering A342 (2003) K. Gołombek, L.A. Dobrzański, Hard and wear resistance coatings for cutting tools, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, vol.24, issue 2 (2007), G. Schottner, K. Rose, U. Posset, Scratch and Abrasion Resistant Coatings on Plastic Lenses State of the Art, Current Developments and Perspectives, Journal of Sol-Gel Science and Technology 27 (2003) Gh. Diaconescu s.a., Tehnologia mecanicii fine si microtehnicii, vol. II, Ed. Tehnica, Buc.,